[論文レビュー] Observation of two distinct pairs fluctuation lifetimes and supercurrents in the pseudogap regime of cuprate junctions

G. Koren, Patrick A. Lee|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Sep 6, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、2つの異なる臨界温度を持つc軸ジャンクションを用いて、銅酸化物接合の擬似ギャップ領域における対フラクチュエーションを調査した。面内磁場下での電導スペクトル測定により、短いおよび長い2つの対フラクチュエーションの寿命が同定され、より高いTcまで持続しており、事前に形成された対またはフラクチュエーティング対密度波の共存を示唆している。長寿命成分は弱い磁場依存性を示し、短寿命成分はほぼ磁場に依存しない。

ABSTRACT

Pairs fluctuation supercurrents and inverse lifetimes were measured on epitaxial c-axis junctions of the cuprates in the pseudogap regime, with a $PrBa_2Cu_3O_{7-δ}$ barrier sandwiched in between two $YBa_2Cu_3O_{7-δ}$ or doped $YBa_2Cu_3O_y$ electrodes, with or without magnetic fields parallel to the a-b planes. All junctions had a $ m T_c(high)\approx 85-90$ K and a $ m T_c(low)\approx 50-55$ K electrodes, allowing us to study pairs fluctuation supercurrents and inverse life times in between these two temperatures. In junctions with a pseudogap electrode under zero field, an excesss current due to pair fluctuations was observed which persisted at temperatures above $ m T_c(low)$, in the pseudogap regime, and up to about $ m T_c(high)$. No such excess current was observed in junctions without a pseudo-gap in the electrode. The measured conductance spectra at temperatures above $ m T_c(low)$ were fitted using a modified fluctuations model by Scalapino [Phys. Rev. Lett. extbf{24}, 1052(1970)] of a junction with a serial resistance. We found that in the pseudo-gap regime, the conductance vs voltage consists of a narrow peak sitting on top of a very broad peak. This yielded two distinct pairs fluctuation lifetimes in the pseudogap electrode which differ by an order of magnitude up to about $ m T_c(high)$. Under in-plane fields, these two lifetime values remain separated in two distinct groups, which varied with increasing field moderately. We also found that detection of Amperian pairing [Phys. Rev. X extbf{4}, 031017 (2014)] in our cuprate junctions is not feasible, due to Josephson vortices penetration into the superconducting electrodes which drove the necessary field above the depairing field.

研究の動機と目的

• 高Tc銅酸化物の擬似ギャップ領域における超伝導対フラクチュエーションの性質を解明すること。
• 擬似ギャップが生じる理由として、事前に形成された対や対密度波（PDW）のような競合秩序が寄与しているかどうかを特定すること。
• 2つの異なるTcを持つc軸接合において、フラクチュエーションの寿命とスーパーカレントを測定すること。
• トンネル接合における磁場調整によってアモアリアン対結合の兆候を検出可能かどうかを評価すること。

提案手法

• PrBa2Cu3O7−δ（PrBCO）をバリア層として用い、YBa2Cu3Oy電極（一方はTc ≈ 85–90 K、他方はTc ≈ 50–55 K）で挟まれたエpitaxial c軸接合を形成した。
• 数テスラまでの面内磁場下で、ゼロおよび面内磁場下における低温電気的輸送測定（電流-電圧特性）を実施した。
• スカラピンゴ（1970）の修正フラクチュエーショナルモデルに直列抵抗を組み合わせ、狭いピークと広いピークの重ね合わせを仮定して、電導スペクトルにフィットした。
• フラクチュエーション寿命（Γ⁻¹）を、2つのローレンツピーク（1つは狭い（短寿命対）、もう1つは広い（長寿命対））の和にフィットすることで抽出した。
• 補足資料の式(9)を繰り返しフィッティングして、2つのフラクチュエーション成分のパラメータを精緻化した。
• PDW対結合の理論的予測と照らし合わせ、磁場調整による導電度ピークを用いたアモアリアン対結合の検出可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 擬似ギャップ領域においてTc(low)より上でも対フラクチュエーションが持続し、測定可能なスーパーカレントを生成するのか？
• RQ2 擬似ギャップ状態には2つの異なるフラクチュエーション寿命が存在し、それらが異なる対結合メカニズムに対応しているのか？
• RQ3 面内磁場が2つのフラクチュエーション成分にどのように影響するか、そしてそれらのコherenxce長と動的構造に何を示唆するか？
• RQ4 磁場調整によって、アモアリアン（Amperean pairing）の兆候をこれらの接合で検出可能か？
• RQ5 観測された2つの異なるフラクチュエーション寿命の微視的起源は何か？

主な発見

• 擬似ギャップ電極を有する接合では、Tc(low)より上、およびTc(high) ≈ 85–90 Kまで、対フラクチュエーションに起因する過剰電流が観測されたが、擬似ギャップ電極を有しない接合では観測されなかった。
• Tc(low)より上での電導スペクトルには、非常に広いピーク上に狭いピークが重畳されており、約1桁の差を示す2つの異なる対フラクチュエーション寿命が存在することを示している。
• 広いピークの逆寿命（Γ₁⁻¹）は長く、面内磁場の増加に伴いわずかに変化するが、狭いピークの逆寿命（Γ₂⁻¹）は短く、ほぼ磁場に依存しない。
• 長寿命フラクチュエーション成分（Γ₁⁻¹）は弱い磁場依存性を示し、より大きなコherenxce長を示唆している。一方、短寿命成分（Γ₂⁻¹）はほぼ磁場に依存せず、短いコherenxce長を示唆している可能性がある。
• 磁場下でも2つのフラクチュエーション成分は2つの明確なグループに分離し、Γ₂とA₂（振幅）はほぼ一定であったため、2つのフラクチュエーションモードの強固な分離が示された。
• アモアリアン対結合の検出は、必要な磁場強度（数キロテスラ）が破局磁場をはるかに超えるため、実験的に不可能であると結論づけられた。