[論文レビュー] Finite bias dependent evolution of superconductor-insulator transition in nanodiamond films

Davie Mtsuko, Miloš Nesládek+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、ホウ素ドープナノ結晶ダイヤモンド（BNCD）膜における超伝導体-絶縁体転移（SIT）における有限バイアス電流効果を調査し、バイアス電流がボソン的絶縁体ピークを抑制することを明らかにした。抵抗はR ∝ I^−0.94から−0.96の普遍的スケーリングを示す。近似的にη ≈ −1のスケーリングは、クーロン反発力（U）とトンネル結合（Γ）の間の相互作用によって駆動される、量子臨界性付近の非平衡Kondo様効果を示している。これは、ボルテックス誘起磁性領域が影響を及ぼす Grain境界における相互作用に基づく。

ABSTRACT

The effect of finite bias current on the evolution of the metal-bosonic insulator-superconductor phase transition is systematically investigated in heavily boron doped nanocrystalline diamond (BNCD) films of various grain size. The shape of the resistivity-temperature curves near the critical temperature (TC) is seen to be strongly influenced by both magnetic field and bias current. It is seen that as the bias current is lowered the so-called bosonic insulator peak in the vicinity of TC becomes more pronounced whereas when the magnetic field is varied the peak shifts towards the low temperature range. The log-log plots of peak resistance versus bias current showing a universal linear scaling with exponent \b{eta}~ -0.94, -0.96 are found to be correlated with the linear variation of bosonic peak resistance with the magnetic field measured at low bias current. The \b{eta} ~ -1 implies a non-equilibrium Kondo-like effect near the quantum critical phase transition. The bias current dependence can be understood as an interplay between the Coulomb repulsive energy (U) and tunnel coupling ({\Gamma}) between diamond grains or intra-grain superconducting regions separated by magnetic regions that result from external flux penetration induced vortices. The anomalous peak in the R(T) and magnetoresistance data as well as the coherence peaks in differential conductance vs. I plots can be attributed to regions within charge-Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) and vortex-BKT transitions.

研究の動機と目的

• 高ホウ素ドープナノ結晶ダイヤモンド（BNCD）膜における有限バイアス電流が超伝導体-絶縁体転移（SIT）の進化に与える影響を理解すること。
• ダイヤモンド結晶粒間および粒内超伝導領域におけるクーロン反発力（U）とトンネル結合（Γ）の相乗作用を調査すること。
• 外部磁場およびボルテックス誘起磁性領域が抵抗-温度（R(T)）曲線におけるボソン的絶縁体ピークのシフトに果たす役割を検討すること。
• 観測された抵抗のバイアス電流依存性が、量子臨界性に関連する普遍的挙動を示しているかどうかを特定すること。

提案手法

• 変動するバイアス電流および磁場下でのBNCD膜における抵抗-温度（R(T)）曲線の体系的測定。
• ピーク抵抗とバイアス電流の対数プロットを用いたスケーリング指数ηの抽出により、普遍的挙動を特定。
• 低バイアス電流における磁場依存性とピーク抵抗の相関をとることで、スケーリングの一貫性を検証。
• 微分電導度対電流（dI/dV vs. I）の測定により、Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）転移に関連するコherー二ティピークを同定。
• 磁気抵抗データの分析により、ボルテックスの浸透および磁性領域形成がピークシフトに与える影響を関連づける。
• 結晶粒境界におけるU（クーロンエネルギー）とΓ（トンネル結合）の相乗作用に基づく理論的解釈。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限バイアス電流は、BNCD膜のT_C近傍におけるR(T)曲線におけるボソン的絶縁体ピークの形状および位置にどのように影響するか？
• RQ2 ピーク抵抗のバイアス電流依存性におけるスケーリング行動は何か？また、異なる結晶粒径において普遍的であるか？
• RQ3 磁場の適用は、ボソン的絶縁体ピークの温度的位置にどのように影響するか？
• RQ4 抵抗のバイアス電流依存性における観測されたη ≈ −0.94から−0.96のスケーリングの背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ5 R(T)、磁気抵抗、および微分電導度の観測された異常は、BKT型転移とどのように関連しているか？

主な発見

• R(T)曲線におけるボソン的絶縁体ピークは、バイアス電流が低下するにつれて顕著に強化され、高電流領域では超伝導コherー二ティが抑制されていることが示唆される。
• 磁場を印加すると、ボソン的絶縁体ピークは低温側にシフトする。これは、ボルテックス誘起磁性領域が局所的な超伝導秩序を摂動していることを示唆している。
• ピーク抵抗とバイアス電流の対数プロットでは、普遍的線形スケーリングが観測され、指数η ≈ −0.94から−0.96の範囲を示している。
• η ≈ −1のスケーリングは、SITの量子臨界点付近における非平衡Kondo様効果の兆候であると解釈される。
• 低バイアス電流における抵抗の磁場依存性は直線的であり、観測されたスケーリング行動の一貫性を裏付けている。
• R(T)、磁気抵抗、および微分電導度の異常は、不規則な結晶粒ネットワーク内における電荷-BKTおよびボルテックス-BKT転移に起因するとされる。