[논문 리뷰] Anomalous high-temperature THz nonlinearity in superconductors near the metal-insulator transition

Dipanjan Chaudhuri, David Barbalas외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 08.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 3D 금속-절연체 전이 근처 초전도성 타닌 나이오브 이온화물(NbN) 필름에서 비선형 테라헤르츠(THz) 반응을 조사하며, 가장 청결한 샘플의 임계온도(Tc)의 네 배에 이르는 온도까지 지속되는 이상하게 큰 세차 비선형 감도 χ⁽³⁾을 규명한다. 이 현상은 불순물에 의해 국소화되는 영향으로 인해 절연체 영역에서 초전도성 상관관계가 강화되어 발생하며, 이는 유한주파수 THz 비선형 스펙트로스코피가 장거리 위상일관성이 없는 곳에서도 초전도성 질서를 감지할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The interplay of strong disorder and superconductivity is a topic of long-term interest in condensed matter physics. Here we explore the nonlinear THz response of superconducting NbN films close to the 3D metal-insulator transition. For the least disordered samples, the magnitude of the nonlinear $χ^{(3)}$ response follows the temperature dependence of the superfluid density as expected. In contrast, for high disorder samples near the metal-insulator transition the $χ^{(3)}$ nonlinearity persists to temperatures as high as even 4 times the $T_c$ of the cleanest sample. We discuss the possible origins of this remarkably large nonlinearity, including the possibility that it arises in an enhancement of the temperature scales of superconductivity close to localization. Our work highlights the importance of finite frequency nonlinear THz experiments in detecting superconducting correlations even into regions where long-range ordered superconductivity does not persist.

연구 동기 및 목표

• NbN 박막에서 3D 금속-절연체 전이 근처의 초전도성과 강한 불순물의 상호작용을 탐구한다.
• 장거리 질서가 없는 상태에서도 초전도성 상관관계가 절연상태에서 지속되는지 조사한다.
• 기존의 측정 수단이 실패하는 불순물이 많은 시스템에서, 유한주파수 THz 비선형 스펙트로스코피가 초전도성 질서를 감지할 수 있는지 확인한다.
• 매우 높은 불순도를 가진 초전도성 필름에서 고온에서 관측된 비선형 반응 χ⁽³⁾의 기원을 이해한다.

제안 방법

• 두 개의 강한 THz 펄스(EA, EB)와 그 조합된 필드(EAB)에 대한 전달된 전기장 측정을 통해 비선형 THz 반응을 측정한다.
• 비선형 반응를 E_NL = EAB - EA - EB로 추출하여 세차 비선형 감도 χ⁽³⁾을 분리한다.
• 시간 영역 THz 스펙트로스코피를 사용하여 광학 도전도의 실수부 및 허수부를 측정하고 정상 상태 반응으로 정규화한다.
• 다양한 불순도 수준과 임계온도(Tc: 6.2 K에서 15.9 K)를 가진 여러 NbN 필름에서 χ⁽³⁾의 온도 의존성을 분석한다.
• 비포ar부 전자 에너지 구조(E(k) = ħ²k²/2m* - βk⁴) 기반 이론 모델과 실험 결과를 비교하며, 운동량 회복률(γm)에 의해 χ⁽³⁾이 드루드 유사하게 감소하는 것을 예측한다.
• 서로 다른 두 코ils를 사용한 상호 인덕도 측정을 통해 임계온도 Tc를 독립적으로 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속-절연체 전이 근처의 매우 불순도가 높은 초전도성 NbN 필름에서, 세차 비선형 감도 χ⁽³⁾이 임계온도(Tc)보다 훨씬 높은 온도에서도 지속되는가?
• RQ2 고온에서 절연상태에서 관측된 이상하게 큰 χ⁽³⁾ 반응의 기원은 무엇이며, 청결한 초전도체의 거동와 어떻게 다를까?
• RQ3 장거리 질서나 매크로스코픽 위상일관성이 없는 상태에서도, 유한주파수 THz 비선형 스펙트로스코피가 초전도성 상관관계를 감지할 수 있는가?
• RQ4 전자 밴드 구조의 비포아르부성은 불순물이 많은 초전도체에서 χ⁽³⁾의 크기와 온도 의존성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 불순물은 초전도성 상관관계의 효과적인 에너지 척도를 얼마나 증가시켜, Tc를 초월한 지속적인 비선형 반응을 유도하는가?

주요 결과

• 청결한 NbN 필름에서는 χ⁽³⁾이 초전도성 밀도의 온도 의존성과 일치하며, 전통적인 BCS 유형의 거동를 따르는 것으로 확인된다.
• 금속-절연체 전이 근처의 매우 불순도가 높은 필름에서는 χ⁽³⁾이 크고, 가장 청결한 샘플의 Tc의 네 배에 이르는 온도까지 지속되며, 절연상태에서도 강력한 초전도성 상관관계가 존재함을 시사한다.
• 비선형 반응는 운동량 회복률(γm)에 의해 강하게 감소하며, 이는 비포아르부 밴드 모델의 예측과 일치하여 전자 운동역학이 χ⁽³⁾의 크기를 제한하는 역할을 함을 확인한다.
• 관측된 고온 비선형 반응는 표준 드루드 모델이나 플라즈마 효과로는 설명될 수 없으며, 국소화 근처에서 강화된 쌍성 상관관계에 기인한 별개의 기원을 가짐을 시사한다.
• 운반성 측정 결과는 상호 인덕도 측정을 통해 모든 금속성 샘플에서 명확한 Tc 신호를 확인하였으며, 절연체 샘플은 전이가 없음을 보여, 매크로스코픽 초전도성의 부재와 일치한다.
• 결과적으로, 기존 측정 수단이 실패하는 불순물이 많은 시스템에서 THz 비선형 스펙트로스코피가 초전도성 질서를 감지하는 데 매우 효과적인 탐사 수단임을 입증한다.