[論文レビュー] Quantum meets classical phase transition: Low-temperature anomaly in disordered superconductors near $B_{c2}$

Benjamin Sacépé, Johanna Seidemann+6 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Sep 22, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 46被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、無秩序な超伝導体における零温度近傍での線形的T依存性 B_{c2}(T) の長年の謎を、ビスケットガラス熱揺らぎと関連付けることで解明した。非晶質酸化インジウム薄膜の実験では、臨界電流 jc(B) が |B - B_{c2}(0)|^{1.6} に比例することが示され、平均場理論と整合的である。理論では、dB_{c2}/dT|_{T→0} がシート抵抗に比例することを予測し、実験的にも確認された。

ABSTRACT

Strongly disordered superconductors in a magnetic field display many characteristic properties of type-II superconductivity--- except at low temperatures where an anomalous linear $T$-dependence of the resistive critical field $B_{c2}$ is routinely observed. This behavior violates the conventional theory of superconductivity, and its origin remains a long-standing puzzle. Here we report on systematic measurements of the critical magnetic field and current on amorphous indium oxide films of various levels of disorder. Surprisingly, our measurements show that the $B_{c2}$ anomaly near zero-temperature is accompanied by a clear mean-field like scaling behavior of the critical current. We demonstrate theoretically that these are consequences of the vortex-glass ground state and its thermal fluctuations. This theory further predicts the linear-$T$ anomaly to occur in films as well as bulk superconductors with a slope that depends on the normal-state sheet resistance---in agreement with experimental data. Thus, our combined experimental and theoretical study reveals universal low-temperature behavior of $B_{c2}$ in a large class of disordered superconductors.

研究の動機と目的

• 無秩序超伝導体におけるT=0近傍での B_{c2}(T) の線形的T依存性という持続的な実験的異常を解消すること。
• 観測された低温挙動がミクロスコピック揺らぎか、新しい量子相由来であるかを特定すること。
• B_{c2}(0) の近くでの臨界電流 jc(B) を測定し、超流動剛性を調べ、その背後にある臨界行動を同定すること。
• ビスケットガラス熱揺らぎを用いて、B_{c2}(T) の線形的T依存性を理論的に説明する枠組みを構築すること。
• 無秩序超伝導体全体にわたって、B_{c2}(T) の傾きが常態のシート抵抗と普遍的に関係することを確立すること。

提案手法

• 不純度とシート抵抗を変化させた非晶質酸化インジウム（a:InO）薄膜における B_{c2}(T) と jc(B) の体系的測定。
• ビスケットガラス相においてビスケットが強くピン止めされているため、臨界電流 jc を超流動剛性 ρ_s(B) の代理として用いる。
• 低温での B_{c2}(T) の線形的T依存性を説明するため、ビスケットガラス熱揺らぎの理論的モデリング。
• BKT理論と ρ_s(T,B) やギャップ関数を含む超流動剛性式を用いて、正規化された傾き db(t)/dt|_{t→0} の導出。
• 平均場条件 α=0 から B_{c2}(0) を計算し、BCSに類似したギャップ方程式から T_c0 を得る。
• 理論的予測と実験データの比較により、dB_{c2}/dT|_{T→0} が R_□/R_Q に依存することを確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無秩序超伝導体における低温での B_{c2}(T) の異常な線形的T依存性の原因は何か？
• RQ2 観測された臨界電流スケーリング jc(B) ∝ |B - B_{c2}(0)|^{1.6} は平均場理論と整合的か、それともミクロスコピック揺らぎ由来か？
• RQ3 T=0近傍での B_{c2}(T) の傾きは、常態のシート抵抗 R_□ に依存するか？
• RQ4 ビスケットガラス熱揺らぎは、B_{c2}(T) の低温異常を説明できるか？
• RQ5 観測された挙動は、さまざまな無秩序超伝導体に普遍的に適用可能か？

主な発見

• 臨界電流 jc(B) は磁場に対して指数 υ ≈ 1.6 のべき乗則に従うが、これは平均場理論の値 υ = 3/2 と整合的であり、指数的スケーリングを予測するミクロスコピック揺らぎ理論とは矛盾する。
• dB_{c2}/dT|_{T→0} が常態のシート抵抗 R_□ に比例することを理論的に予測し、実験データでも確認された。
• 理論的分析により、ビスケットガラス状態の熱揺らぎが B_{c2}(T) の線形的T依存性の原因であり、T=0での超流動剛性は依然として平均場的であることが判明した。
• jc(B) と B_{c2}(T) のスケーリングは、薄膜およびバルク材料を含む、さまざまな無秩序超伝導体で普遍的である。
• 理論的モデリングにより、ミクロスコピック揺らぎではなくビスケットガラス状態が線形的T依存性を説明しており、数十年にわたる謎が解けた。
• 強い不純度を持つ系では ρ_s0/T_c0 が小さくなり、 semiclassische理論が予測する値よりも実験的に観測された正規化傾き K が大きくなることが判明した。