[論文レビュー] Reply to the "Comment on 'Intrinsic tunneling spectra of Bi_2(Sr_{2-x}La_x)CuO_6' ": Auxiliary information

A. Yurgens, D. Winkler+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、Bi基高臨界温度超伝導体の内在的トンネル接合（ITJ）スタックにおける局所的過熱を、電流注入点に正確に配置されたマイクロサイズのBi-Ag熱電対を用いて直接測定した。主な発見は、高バイアス特徴—以前は準ギャップに起因するとされてきた—が主に自己加熱に起因するものであり、周囲温度から200–300 K上昇する温度上昇が生じ、トンネルスペクトルが内在的性質を示すという従来の解釈が無効であることを示している。

ABSTRACT

To better address the heating issue in stacks of intrinsic Josephson junctions, we directly measure temperature of the stack by using a micron-sized thermocouple which is in direct thermal- and electrical contact to the stack, exactly in the place where the bias current is injected. Our measurements have shown that the temperature of the stack can reach 200-300K at the highest bias. Thus, we confirm experimentally that the Joule self-heating is a severe problem in intrinsic-junction-spectroscopy experiments. The pseudogap features reported in our previous paper (A.Yurgens etal, PRL 90, 147005 (2003)) are indeed an artifact of Joule heating. The detailed measurements of the temperature of the stacks at different ambient temperatures T0 allow us to deduce the unique, "heating-free" I(V)-, or dI/dV(V) curves.

研究の動機と目的

• Bi2212の内在的トンネルスペクトルにおける高バイアス特徴が準ギャップに起因するのか、それとも熱的アーティファクトに起因するのかという論争を解消すること。
• 間接的温度計測法の限界を克服し、ITJスタックにおける電流注入部での局所温度を直接測定すること。
• 正確な現場温度測定を用いて、従来のトンネルスペクトル解釈（特徴を準ギャップに起因するとするもの）の妥当性を評価すること。
• トンネル分光法における自己加熱の深刻さを高臨界温度超伝導体で評価し、ブレークジャンクションなどの他の技術と比較すること。
• 局所的過熱を補正することで真の等温I-V特性を抽出する信頼性の高い手法を確立すること。

提案手法

• マイクロサイズのBi-Ag熱電対をITJスタック上に直接作製し、Bi接触部を電流注入点に配置することで、リアルタイムでの局所温度測定を実現した。
• 低ノイズアンプと16ビットデータ取得システムを備えたカスタム装置を用いて、同時にI-Vおよび温度測定を実施し、高精度なサンプリングを達成した。
• 別基板上に配置したダイオード温度計を用いて校正を実施し、100–300 Kの範囲で熱起電力が約50 μV/Kの高温度分解能を達成した。
• 接触部の幾何配置は、V2(I)曲線の対称性を分析することで最適化された。ずれが生じると電圧降下が非対称になることから、Bi接触部のスタックとの正確な一致が可能になった。
• c軸抵抗の温度依存性は使用せず、校正データへの多項式フィットを用いて各I-V点における温度Tを計算した。
• ニュートン的冷却モデルはテストされたが、バイアス依存の抵抗のため不十分であり、正確な加熱推定には非線形I(V)補正が必要であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi2212の内在的トンネルスペクトルに観察される高バイアスのハプは、実際には準ギャップに起因するのか、それとも熱的アーティファクトに起因するのか？
• RQ2 電流注入部での自己加熱が、ITJスタックにおけるトンネルスペクトルにどの程度歪みを引き起こすのか？
• RQ3 電流注入点での直接的な局所温度測定は、間接的手法よりも真の電子的性質をより正確に評価できるのか？
• RQ4 ITJ構造における加熱率は、スタックサイズおよび電流密度とどのようにスケーリングするのか？
• RQ5 ブレークジャンクショントンネル分光法においても、この加熱問題は同様に顕著に現れるのか？

主な発見

• バイアス下でITJスタック内の局所温度が周囲温度から200–300 K上昇したことが確認され、電流注入部での深刻な自己加熱が裏付けられた。
• dI/dV(V)スペクトルに観察された高バイアスのハプ—従来は準ギャップ特徴と解釈されていた—が、実際にはジュール加熱に起因するアーティファクトであり、内在的電子構造とは無関係であることが示された。
• 熱電対電圧（V2）の温度依存性を用いて、Bi接触部の正しい配置を確認した。対称的なV2(I)曲線が、接触部の正確な配置を示していた。
• 極めて高い過熱が生じても、温度ドリフトを補正することで等温I-V曲線を抽出でき、全温度範囲で顕著な非線形挙動が明らかになった。
• 球状モデルとヘリウムの熱伝導率を用いた加熱率推定により、Q = 2 mWおよびr ~ 2 μmの条件下でδT ~ 140 Kが得られ、オーダーオブマグニチュードの妥当性が確認された。
• ブレークジャンクション実験においても深刻な過熱が生じ、接合サイズおよび抵抗に応じて100–1000 Kの温度上昇が推定された。これはBi2212における熱伝導性の低さに起因する。