[論文レビュー] Phase fluctuations in a conventional s-wave superconductor: Role of dimensionality and disorder

Mintu Mondal|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、NbN薄膜における位相揺らぎを調査し、2次元（2D）系では、小さなストリング・コアエネルギーを考慮した場合、Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）転移が一貫していることを示した。3次元（3D）の不純物系薄膜では、対が存続している間でさえ、位相揺らぎそのものが超伝導性を破壊することがあり、低次元的・不純物的な超伝導体において位相揺らぎが支配的役割を果たすことを強調している。

ABSTRACT

As a part of my doctoral thesis, I studied the effect of phase fluctuations in two dimensional (2D) and three dimensional (3D) superconducting films of conventional s-wave superconductor, NbN, by measuring the electrodynamics response through magnetic penetration depth at low frequency and the complex conductivity at microwave frequencies. We show that the phase transition in 2D or quasi-2D superconductors can be reconciled with the standard Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) transition when the small vortex core energy is taken into consideration. In 3D NbN films, we show that in presence of strong disorder, superconductivity can get destroyed by phase fluctuations even if Cooper pairs continue to survive in the system. Our study provides a paradigmatic picture of importance of phase fluctuations in 2D and strongly disordered 3D superconductors.

研究の動機と目的

• さまざまな次元性および不純度の下での常識的s波超伝導体における位相揺らぎの役割を理解すること。
• 2次元および準2次元超伝導膜における実験的観察を、Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）転移理論と一致させること。
• 強い不純度を持つ3次元系において、対がそのままであるにもかかわらず、位相揺らぎそのものが超伝導性を抑制するかどうかを調査すること。
• 低次元的および不純物的な超伝導体における位相揺らぎ効果を統合的に説明するフレームワークを提供すること。

提案手法

• 2次元および準2次元NbN膜における位相ダイナミクスを調べるため、低周波数での磁気浸透率の測定。
• 電磁的応答および位相揺らぎ効果を評価するため、マイクロ波周波数の複素電導率の使用。
• 強い不純度の存在下での系の応答を分析し、位相揺らぎの役割を隔離すること。
• 理論的予測（小さなストリング・コアエネルギーの補正を含む）との実験データの比較。
• 有限のストリング・コアエネルギー効果を含めた標準的なBKT理論を2次元系に適用。
• 不純度を段階的に増加させた3次元NbN膜の体系的分析により、超伝導転移抑制の臨界点を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小さなストリング・コアエネルギーを考慮した場合、2次元および準2次元NbN膜におけるBerezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）転移が超伝導相転移を説明できるか。
• RQ2 強い不純度を持つ3次元NbN膜において、位相揺らぎそのものが超伝導性をどれほど抑制するか。
• RQ3 3次元超伝導体において、対が存続しているが超伝導性が位相揺らぎによって破壊されるような状態が存在するか。
• RQ4 次元性が、常識的s波超伝導体において位相揺らぎが振幅揺らぎを上回る支配的要因として果たす影響はいかほどか。

主な発見

• 2次元および準2次元NbN膜では、理論的記述に小さなストリング・コアエネルギーを含めた場合、Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）転移が一貫している。
• 強い不純度を持つ3次元NbN膜では、対が系に存続している間でさえ、超伝導性が位相揺らぎによって抑制される。
• 低次元的および不純物的な系では、対の振幅に依存しない形で、位相揺らぎが超伝導転移抑制の主因となる。
• 本研究は、対破壊機構が存在しない状況でも、位相揺らぎが正常状態への転移を引き起こすというパラダイムを確立した。