[論文レビュー] Single Junction and Intrinsic Josephson Junction Tunneling Spectroscopies of Bi2Sr2CaCu2O8+d

L. Özyüzer, C. Kurter+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2004

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、点接触法を用いて最適ドーピングおよび過剰ドーピングBi2212単結晶における単結晶接合（SIN/SIS）と内在的ジョセフソン接合（IJJ）構造の準粒子トンネルスペクトルを比較した。IJJスペクトルは鋭い電導度ピーク、抑制されたギャップ、および高バイアスでのディップ/ハムプ特徴の欠如を示し、これは準平衡効果ではなく、非平衡効果を示している。IJJギャップは結晶数で割ると著しく低く見積もられることが確認され、IJJ挙動が準平衡的起源であるとは言えないことが裏付けられた。

ABSTRACT

Tunneling spectroscopy measurements are reported on optimally-doped and overdoped Bi$_{2}$Sr$_{2}$CaCu$_{2}$O$_{8+δ}$ single crystals. A novel point contact method is used to obtain superconductor-insulator-normal metal (SIN) and SIS break junctions as well as intrinsic Josephson junctions (IJJ) from nanoscale crystals. Three junction types are obtained on the same crystal to compare the quasiparticle peaks and higher bias dip/hump structures which have also been found in other surface probes such as scanning tunneling spectroscopy and angle-resolved photoemission spectroscopy. However, our IJJ quasiparticle spectra consistently reveal very sharp conductance peaks and no higher bias dip structures. The IJJ conductance peak voltage divided by the number of junctions in the stack consistently leads to a significant underestimate of $Δ$ when compared to the single junction values. The comparison of the three methods suggests that the markedly different characteristics of IJJ are a consequence of nonequilibrium effects and are not intrinsic quasiparticle features.

研究の動機と目的

• Bi2212における単結晶接合（SIN/SIS）と内在的ジョセフソン接合（IJJ）の準粒子トンネルスペクトルを比較すること。
• IJJスペクトルにディップ/ハムプ特徴が欠落しているのは、内在的電子構造の反映であるのか、非平衡効果のためであるのかを特定すること。
• IJJと単結晶接合における超伝導ギャップの温度依存性を調査すること。
• IJJの電導度ピーク電圧を接合数で割った値が、真の超伝導ギャップを正確に反映しているかどうかを評価すること。

提案手法

• 4.2 Kで同一Bi2212結晶上にイン・サイトでSIN、SIS、IJJ接合を形成するために、丸みを帯びたAuチップを用いた点接触法が用いられた。
• ナノスケールの結晶小片から形成されたIJJスタックと単結晶接合（SINおよびSIS）に対してトンネル分光測定が実施された。
• 準粒子状態密度およびギャップ特徴を抽出するために、電導度－電圧（G-V）および電流－電圧（I-V）特性が測定された。
• ギャップの進化を調査するために、4.2 Kから28 Kまでの温度依存測定が実施された。
• IJJの電導度ピーク電圧をスタック内の接合数で割ることで、有効ギャップを推定した。
• IJJと単結晶接合のスペクトルを比較することで、非平衡効果を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi2212における内在的ジョセフソン接合は、単結晶トンネル分光法で観察される準粒子特徴（特にディップ/ハムプ構造）を同様に示すのか？
• RQ2 IJJの電導度ピーク電圧を接合数で割った値が、単結晶接合と比較して著しく超伝導ギャップを低く見積もる理由は何か？
• RQ3 IJJの電導度ピークの温度依存性が速やかであることは、平衡状態か非平衡状態のどちらを示唆するか？
• RQ4 観察されたIJJスペクトルの差異は、内在的電子構造のためか、加熱や準粒子注入といった外的非平衡効果のためか？

主な発見

• IJJトンネルスペクトルは一貫して鋭い電導度ピークを示し、SINおよびSIS接合で観察される高バイアス領域のディップ/ハムプ特徴を欠いている。
• IJJの電導度ピーク電圧をスタック内の接合数で割った値は、単結晶接合の測定値と比較して著しく超伝導ギャップを低く見積もっている。
• IJJギャップは温度上昇に伴い急激に、異常的に減少し、BCS理論とは整合せず、SIS接合で観察されるほぼ一定のギャップとは一致しない。
• IJJスペクトルにディップ/ハムプ特徴が欠落しているのは、内在的電子構造ではなく、加熱や準粒子注入などの非平衡効果によるものであるとされる。
• 温度依存測定の結果、SISギャップは28 Kまでほぼ一定を保ち、BCS理論の予測と一致するが、IJJギャップは急激に低下する。
• 結果から、IJJトンネルスペクトルはBi2212の内在的準粒子状態密度ではなく、非平衡プロセスによって支配されていることが示された。