[논문 리뷰] Current-Induced Superconductor-Insulator Transition in Granular High-T_c Superconductors

Y. Kopelevich, C. A. M. dos Santos외 2명|arXiv (Cornell University)|2001. 08. 20.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 조셉슨 다중계면 비틀림의 동역학에 의해 유도되는 전류에 의한 초전도체-절연체 양자상전이를 입증한다. 다양한 전류 및 자장 조건에서 저항도 및 I-V 측정을 통해 초전도체에서 절연체 상태로의 전이를 유도하는 임계 전류 I_c(H)를 규명하였으며, 저항 데이터의 척도 수축을 통해 영온도에서의 양자상전이가 자장조절 전이와 유사함을 확인하였다.

ABSTRACT

In this work we report a systematic study of electrical current effects on superconducting properties of granular Y$_{1-x}$Pr$_{x}$Ba$_{2}$Cu$_{3}$O$_{7-δ}$ samples with x close to the critical Pr concentration above which the superconductivity vanishes. The results indicate the occurrence of superconductor-insulator quantum phase transition (SIT) driven by the applied electrical current, and suggest that the current-induced SIT can be considered as the dynamical counterpart of the magnetic-field- tuned SIT.

연구 동기 및 목표

• 다공성 고Tc 초전도체에서 전기적 전류가 초전도체 상태에서 절연체 상태로의 양자상전이를 유도하는 역할을 조사한다.
• 적용된 전류 하에서 조셉슨 다중계면 비틀림의 동역학이 전이를 지배하는지 확인한다.
• 전류 유도 전이가 잘 알려진 자장조절 초전도체-절연체 전이의 역학적 대응체임을 가설 검증한다.
• 유한온도에서 저항 데이터의 척도화를 통해 전이점 근처의 임계 행동을 분석한다.
• 전류 유도 전이의 임계 지수를 자장조절 전이와 비교하여 일관성을 검토한다.

제안 방법

• Y1-xPrxBa2Cu3O7-δ (x=0.45) 박막에서 최대 100 mA의 전류 및 최대 100 Oe의 자장을 적용한 저항도 및 사측직류 전도도 측정을 수행하였다.
• 저전류 I-V 특성은 전압 V = c(T,H)(I - I_th(T,H))^n(T,H)의 거듭제곱 법칙 식을 사용하여 분석하였으며, 여기서 I_th는 비틀림 운동을 위한 임계 전류이다.
• 저항 R = V/I 를 스케일링 변수 |δ|/T^{1/α} 의 함수로 하여 스케일링 분석을 적용하였으며, 여기서 δ = I - I_c(H) 이다. 이는 보편적인 임계 행동을 검증하기 위함이다.
• 임계 지수 α 는 I_c 에서의 dR/dI 의 로그-로그 도표에서 T^{-1} 과의 관계에서 추출되었으며, 데이터 수축을 통해 스케일링 가설을 검증하였다.
• 분석은 하드 코어 보존 모델을 가정하였으며, 초전도체 질서파라미터 크기 Ψ₀ 는 T_c0 에서 일정하게 유지되어 단위상 변동이 지배적임을 나타낸다.
• 다른 자장에서 측정을 반복하여 I_c(H) 를 맵핑하고 자장조절 전이 행동과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적용된 전기적 전류가 다공성 고Tc 초전도체에서 초전도체-절연체 양자상전이를 유도하는가?
• RQ2 조셉슨 다중계면 비틀림의 동역학이 전류 유도 전이를 매개하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 전류 유도 전이가 자장조절 전이와 동일한 유한온도 척도화 법칙으로 기술될 수 있는가?
• RQ4 전류 유도 전이의 임계 지수는 자장조절 전이의 지수와 일관성이 있는가?
• RQ5 임계 전류 I_c(H) 는 비틀림의 탈착에 의해 결정되는가, 아니면 내재된 조셉슨 결합에 의해 결정되는가?

주요 결과

• 초전도 전이 온도 T_c0 = 33 K 는 전류나 자장에 영향을 받지 않아, 전이가 질서파라미터 크기의 변화에 의해 유도되지 않음을 나타낸다.
• 4.6 K 에서 I_th ≈ 5 mA 의 임계 전류가 관측되었으며, I-V 특성이 지수 n ≈ 3 인 거듭제곱 법칙으로 잘 기술되어 비틀림 유동 동역학을 시사한다.
• 임계 전류 I_c(H) 는 자장 증가에 따라 감소하며, H = 2.85 Oe 에서 I_c = 16.2 mA, H = 9.5 Oe 에서 I_c = 7 mA 로 나타나 비틀림의 비국소화와 일치한다.
• 스케일링 변수 |δ|/T^{1/α} 를 사용하여 저항 데이터를 I < I_c 와 I > I_c 의 두 가지 브랜치로 수축시킴으로써 영온도에서의 보편적 양자상전이가 확인되었다.
• H = 2.85, 5.7, 9.5 Oe 에서 각각 α ≈ 1.84, 1.72, 1.3 으로 추출되었으며, 유사한 시스템에서의 자장조절 전이 값과 양호한 일치를 보였다.
• 결과는 조셉슨 비틀림의 전류 유도 탈착 전이가 자장조절 전이와 유사한 영온도에서의 양자상전이임을 지지하며, 전류가 제어 매개변수로 작용함을 시사한다.