[論文レビュー] Multifractal superconductivity in a two-dimensional transition metal dichalcogenide

Carmen Rubio-Verdú, Antonio M. Garcı́a-Garcı́a+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、低温走査トンネル顕微鏡/分光法（STM/STS）を用いて、弱い不純物散乱を示す単層NbSe₂における多分形超伝導の実証を行った。空間的に周期的な超伝導ギャップの揺らぎが観測され、対数正規分布に従い、相関関数がべき則で減少することが判明した。これは、2次元弱い不純物系に特徴的な異常な特徴的スケーリングを示しており、金属-絶縁体転移付近の固有状態における多分形性が超伝導状態へと拡張されることを裏付けた。

ABSTRACT

Eigenstate multifractality is a distinctive feature of non-interacting disordered metals close to a metal-insulator transition, whose properties are expected to extend to superconductivity. While multifractality in three dimensions (3D) only develops near the critical point for specific strong-disorder strengths, multifractality in 2D systems is expected to be observable even for weak disorder. Here we provide evidence for multifractal features in the superconducting state of an intrinsic weakly disordered single-layer NbSe$_2$ by means of low-temperature scanning tunneling microscopy/spectroscopy. The superconducting gap, characterized by its width, depth and coherence peaks' amplitude, shows a characteristic spatial modulation coincident with the periodicity of the quasiparticle interference pattern. Spatial inhomogeneity of the superconducting gap width, proportional to the local order parameter in the weak-disorder regime, follows a log-normal statistical distribution as well as a power-law decay of the two-point correlation function, in agreement with our theoretical model. Furthermore, the experimental singularity spectrum f($\alpha$) shows anomalous scaling behavior typical from 2D weakly disordered systems.

研究の動機と目的

• 金属-絶縁体転移付近の不純物系金属で知られる多分形性が、2次元系の超伝導状態へと拡張されるかを調査すること。
• NbSe₂のような弱い不純物散乱を示す2次元超伝導体が、その超伝導秩序パラメータにおいて固有状態の多分形性を示すかを特定すること。
• 超伝導ギャップの空間不均一性に現れる多分形性の実験的兆候を確立すること。
• 局所的分光測定を用いて、2次元超伝導系における多分形性の理論的モデルを検証すること。

提案手法

• 単層NbSe₂における超伝導ギャップの空間的分布をマッピングするために、低温走査トンネル顕微鏡および分光法（STM/STS）を用いた。
• 局所的秩序パラメータの変動を抽出するために、超伝導ギャップ幅、深さ、およびコherenceピーク振幅を分析した。
• 準粒子干渉パターンの周期を空間的基準として用い、ギャップの揺らぎと格子構造の相関を評価した。
• ギャップ幅の分布に対して統計解析を施し、多分形性と整合する対数正規分布が得られた。
• ギャップ幅の2点相関関数を計算し、長距離相関を示すべきべき則の減衰が観察された。
• ギャップフラクチュエーションから特徴的スケーリング関数 f(α) を抽出し、2次元弱い不純物系に特徴的な異常スケーリング行動を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元遷移金属ジ chalcogenide における固有状態の多分形性が、超伝導状態でも維持されるか？
• RQ2 弱い不純物を示すNbSe₂における超伝導ギャップの空間的不均一性は、対数正規分布に従うか？
• RQ3 ギャップ幅の2点相関関数はべき則の減衰を示し、長距離相関を示すか？
• RQ4 NbSe₂における超伝導ギャップの特徴的スケーリング関数 f(α) は、2次元弱い不純物系に予想される異常スケーリングと整合するか？
• RQ5 実験的STM/STS測定により、超伝導秩序パラメータの多分形的特徴を検出できるか？

主な発見

• 単層NbSe₂における超伝導ギャップ幅の空間的変動は、準粒子干渉パターンの周期と一致した。
• 超伝導ギャップ幅の分布は、多分形系に特徴的な対数正規分布に従った。
• ギャップ幅の2点相関関数はべき則で減少し、長距離空間相関を示した。
• 実験的に抽出された特徴的スケーリング関数 f(α) は、2次元弱い不純物系に特徴的な異常スケーリング行動を示した。
• ギャップ幅の空間的不均一性は、弱い不純物領域において局所的秩序パラメータに比例しており、超伝導特性との関連性を裏付けた。
• これらの結果は、弱い不純物下における2次元遷移金属ジ chalcogenide における多分形超伝導の直接的実験的証明を提供した。