[論文レビュー] New paradigm for a disordered superconductor in a magnetic field

Anushree Datta, Anurag Banerjee+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、磁場中における不規則な二次元s波超伝導体のための新しいパラダイムを提案し、不規則性と磁場が共同で、金属的コアを有するAbrikosov渦から絶縁的コアを有するJosephson渦への遷移を駆動することを示している。超流動剛性の崩壊（Hc）に伴う臨界磁場とエネルギーギャップの抑制は、不規則性の増加に伴い発散し、実験で観測される巨大磁気抵抗ピークおよびゼロバイアスのCaroli-de Gennes-Matriconピークの抑制を説明する疑似ギャップ相を形成する。

ABSTRACT

We show that while orbital magnetic field and disorder, acting individually weaken superconductivity, acting together they produce an intriguing evolution of a two-dimensional type-II s-wave superconductor. For weak disorder, the critical field H_c at which the superfluid density collapses is coincident with the field at which the superconducting energy gap gets suppressed. However, with increasing disorder these two fields diverge from each other creating a pseudogap region. The nature of vortices also transform from Abrikosov vortices with a metallic core for weak disorder to Josephson vortices with gapped and insulating cores for higher disorder. Our results naturally explain two outstanding puzzles: (1) the gigantic magnetoresistance peak observed as a function of magnetic field in thin disordered superconducting films; and (2) the disappearance of the celebrated zero-bias Caroli-de Gennes-Matricon peak in disordered superconductors.

研究の動機と目的

• 薄い不規則超伝導膜における巨大磁気抵抗ピークの長年の謎を解明すること。
• 磁場下における不規則超伝導体で観測されるゼロバイアスのCaroli-de Gennes-Matricon（CdGM）ピークの消失を説明すること。
• 2次元s波超伝導体における不規則性と軌道的磁場の相互作用を調査すること。
• 磁場中における弱いから強い不規則性に至るまでの渦の構造と電子的性質の進化を明らかにすること。

提案手法

• 局所的不規則性と磁場フラックスを有する2次元格子モデルにおける自己無撞着Bogoliubov-de Gennes（BdG）数値シミュレーション。
• 局所状態密度（LDOS）の計算により、渦核状態を調査し、CdGMピークのような束縛状態を特定。
• 超流動剛性（Ds）とエネルギーギャップ（Eg）を磁場および不規則性強度の関数として分析。
• 秩序パラメータおよびLDOSの空間的プロファイルを用いて渦核構造を追跡し、Abrikosov型とJosephson型の渦を区別。
• 渦核における局所的不純物ポテンシャル分布の統計的分析により、不規則性の影響を評価。
• フェルミの黄金律による推定を用いて、不規則性強度とdc抵抗率の関係を関連づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不規則性と磁場の共存が、超伝導秩序パラメータの崩壊臨界磁場にどのように影響を与えるか？
• RQ2 不規則膜において、超伝導体-絶縁体転移磁場よりもはるかに高い磁場で磁気抵抗が急激にピークを示すのはなぜか？
• RQ3 不規則超伝導渦におけるゼロバイアスのCdGMピークが抑制され、最終的に消失するのは何が原因か？
• RQ4 不規則性の増加に伴い、渦の性質がAbrikosov型からJosephson型へどのように変化するか？
• RQ5 局所的不規則性のフラクチュエーションが、渦核への束縛および準位ギャップ内束縛状態形成に果たす役割は何か？

主な発見

• 弱い不規則性では、超流動剛性の崩壊が起こる臨界磁場Hcは、エネルギーギャップが抑制される磁場と一致し、従来のBCS挙動と整合する。
• 不規則性が増加するにつれ、超流動剛性の崩壊臨界磁場とエネルギーギャップの抑制臨界磁場が乖離し、Egが有限のままDsが消える疑似ギャップ相が形成される。
• 不規則性の増加に伴い、金属的コアを有するAbrikosov型の渦からギャップを持ち絶縁的コアを有するJosephson型の渦へと変化する。
• 巨大磁気抵抗ピークは、疑似ギャップ相と絶縁的渦核への遷移に起因して自然に生じ、実験で観測されるピークの非対称性および大きさを説明する。
• CdGMピークは、渦核における局所的反発的不純物の影響でゼロエネルギーからずれ、弱体化する。その平均的な抑制により、LDOSにソフトギャップが形成される。
• 低磁場領域では、渦が不規則性が高い領域を通過することを好むが、Hが増加するにつれ、渦は不規則性が弱い領域に集まり、準位ギャップ内状態のデローカライゼーションを可能にする。