[논문 리뷰] Charge Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition in superconducting NbTiN films

A. Yu. Mironov, D. M. Silevitch외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 30.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 22인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 초전도체-絕縁체 전이의 절연 측면에서 초전도성 NbTiN 필름에서 전하 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) 전이의 첫 번째 실험적 관측을 보고한다. 이 전이는 초전도체-絕縁체 전이의 임계 저항 행동으로 확인된다. 전이의 특성은 자기장에 따라 비단조화적인 의존성을 보이며, 임계 온도가 낮은 자기장에서 급격히 상승하다가 최고점에 도달한 후 감소함을 보여, 로그형 전하 상호작용과 발산하는 전기적 스크리닝에 의해 이끌리는 유 end-온도 초절연 상태의 존재를 확인한다.

ABSTRACT

A half-century after the discovery of the superconductor-insulator transition (SIT), one of the fundamental predictions of the theory, the charge Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) transition that is expected to occur at the insulating side of the SIT, has remained unobserved. The charge BKT transition is a phenomenon dual to the vortex BKT transition, which is at the heart of the very existence of two-dimensional superconductivity as a zero-resistance state appearing at finite temperatures. The dual picture points to the possibility of the existence of a superinsulating state endowed with zero conductance at finite temperature. Here, we report the observation of the charge BKT transition on the insulating side of the SIT, identified by the critical behavior of the resistance. We find that the critical temperature of the charge BKT transition depends on the magnetic field exhibiting first the fast growth and then passing through the maximum at fields much less than the upper critical field. Finally, we ascertain the effects of the finite electrostatic screening length and its divergence at the magnetic field-tuned approach to the superconductor-insulator transition.

연구 동기 및 목표

• 초전도체-絕縁체 전이(SIT)의 절연 측면에서 희귀한 전하 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT) 전이의 실험적 관측을 목적으로 하며, 이는 초전도체에서의 비오르트 BKT 전이의 이중적 대응이다.
• 이론적 예측에 따라 비단조화적인 행동을 보일 가능성이 있는 임계 온도 $ T_{\rm\scriptscriptstyle CBKT} $ 의 자기장 의존성 검토.
• 이중 초전도체 필름에서 양자临界점 근처에서 전기적 스크리닝 길이 및 유전율의 발산이 전하 BKT 전이에 미치는 영향 탐색.
• 순수한 TiN 또는 NbN 필름에 비해 $ T_c $ 가 향상되고 안정성이 높아, NbTiN를 초절연 상태의 임계 현상 관측에 적합한 안정된 플랫폼으로 확립하는 것.

제안 방법

• 반응 스퍼터링을 이용해 알루미나(AlN) 버퍼층을 포함한 sapphire 기판 위에 에피택시 NbTiN 필름(10–20 nm 두께)을 성장시키고, 고해상도 투과형 전자현미경(HRTEM)과 회절을 통해 확인.
• X선 회절 및 Vegard의 법칙을 통한 격자 상수 결정으로, NbTiN에서 NbN의 몰분율 $ x = 0.7 \pm 0.02 $ 인 고체 용액 형성 확인.
• 4점 측정 및 2점 측정을 위한 10접점 저항 막대(50 μm 너비, 100–250 μm 측정 간격) 제작으로 초전도 및 절연 영역에서 정확한 저항 추출 가능.
• 저온에서 정밀한 저항 측정을 위해 헬륨 희석 냉각기 및 SR830 락인 증폭기를 사용하고, 고저항 영역에서는 저노이즈 프리증폭기를 적용.
• 2점 및 4점 측정 기법을 선형 반응 영역에서 적용하고 고온에서 교정하여 시트 저항 결정.
• $ R(T) $ 및 $ R(B) $ 데이터 분석을 통해 임계 행동 식별 및 $ T_{\rm\scriptscriptstyle CBKT} $ 추출. 이론적 모델을 활용해 로그형 전하 상호작용 및 스크리닝 길이 $ \Lambda \sim \varepsilon d $ 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NbTiN 필름에서 초전도체-絕縁체 전이의 절연 측면에서 전하 BKT 전이가 임계 저항의 발산으로 나타나는가?
• RQ2 적용된 자기장에 따라 전하 BKT 전이의 임계 온도 $ T_{\rm\scriptscriptstyle CBKT} $ 는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 양자临계점 근처에서 전기적 스크리닝 길이 $ \Lambda $ 는 전하 BKT 전이에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 고온에서 안정된 초전도 필름 체계에서 비오르트-전하 이중성 다이어그램을 실험적으로 확인할 수 있는가?
• RQ5 유한 온도에서 전도도가 0인 초절연 상태는 NbTiN 필름에서 실현 가능하고 측정 가능한가?

주요 결과

• 초전도체-絕縁체 전이의 절연 측면에서 전하 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT) 전이가 임계 저항 행동을 통해 NbTiN 필름에서 실험적으로 관측되었다.
• 전하 BKT 전이의 임계 온도 $ T_{\rm\scriptscriptstyle CBKT} $ 는 낮은 자기장에서 급격히 증가하다가 최고점에 도달한 후 감소함을 보여, 자기장에 따른 비단조화적 의존성이 있음을 확인.
• $ T_{\rm\scriptscriptstyle CBKT} $ 의 최고점은 상한 임계 자기장 $ B_{c2}(0) $ 보다 훨씬 작은 자기장에서 발생하며, 양자临계점 근처에서 유전율이 발산하는 이론적 예측과 일치.
• 자기장 조절 임계점에서 전기적 스크리닝 길이 $ \Lambda \sim \varepsilon d $ 가 발산함을 확인하여, 초절연 상태 형성에 기여하는 유전율 발산의 역할을 뒷받침.
• 15 nm 및 20 nm 두께의 NbTiN 필름은 각각 $ T_c = 3.35 \, \text{K} $ 와 $ 4.27 \, \text{K} $ 를 보이며, $ B_{c2}(0) = 10.5 \, \text{T} $ 와 $ 12 \, \text{T} $ 로 나타나 초전도 안정성이 향상되어 임계 현상 관측에 유리.
• 10 nm 두께 필름의 실측 운반자 농도는 $ n = 4.7 \times 10^{21} \, \text{cm}^{-3} $ 로 나타나 시스템의 이중성과 2D 쿨롱 상호작용의 중요성을 지지.