[논문 리뷰] Finite bias dependent evolution of superconductor-insulator transition in nanodiamond films

Davie Mtsuko, Miloš Nesládek외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 21.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 불순물 농도가 높은 나노결정성 다이아몬드(BNCD) 필름에서 초전도체-절연체 전이(SIT)에 대한 유한한 편류 전류의 영향을 조사하며, 편류 전류가 보존 절연체 피크를 억제하고 저항이 R ∝ I^−0.94에서 −0.96로 일반화된 스케일링을 보임을 밝혀냈다. 거의 η ≈ −1의 스케일링은 양자临계점 근처에서 쿨롱 반발력(U)과 터널 결합(Γ) 간의 상호작용으로 인해 유도된 비평형 코нд로 효과를 나타낸다. 이는 비틀림 경계면에서 발생하는 비틀림에 의해 유도된 자기 영역에 의해 영향을 받는다.

ABSTRACT

The effect of finite bias current on the evolution of the metal-bosonic insulator-superconductor phase transition is systematically investigated in heavily boron doped nanocrystalline diamond (BNCD) films of various grain size. The shape of the resistivity-temperature curves near the critical temperature (TC) is seen to be strongly influenced by both magnetic field and bias current. It is seen that as the bias current is lowered the so-called bosonic insulator peak in the vicinity of TC becomes more pronounced whereas when the magnetic field is varied the peak shifts towards the low temperature range. The log-log plots of peak resistance versus bias current showing a universal linear scaling with exponent \b{eta}~ -0.94, -0.96 are found to be correlated with the linear variation of bosonic peak resistance with the magnetic field measured at low bias current. The \b{eta} ~ -1 implies a non-equilibrium Kondo-like effect near the quantum critical phase transition. The bias current dependence can be understood as an interplay between the Coulomb repulsive energy (U) and tunnel coupling ({\Gamma}) between diamond grains or intra-grain superconducting regions separated by magnetic regions that result from external flux penetration induced vortices. The anomalous peak in the R(T) and magnetoresistance data as well as the coherence peaks in differential conductance vs. I plots can be attributed to regions within charge-Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) and vortex-BKT transitions.

연구 동기 및 목표

• 유한한 편류 전류가 고불순물 농도의 나노결정성 다이아몬드(BNCD) 필름에서 초전도체-절연체 전이(SIT)의 진화에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 다이아몬드 입자 간의 쿨롱 반발력(U)과 터널 결합(Γ) 간의 상호작용을 조사하는 것.
• 외부 자기장과 비틀림에 의해 유도된 자기 영역이 저항-온도(R(T)) 곡선에서 보존 절연체 피크의 이동에 미치는 영향을 검토하는 것.
• 관측된 저항의 편류 전류에 따른 스케일링이 양자临계점과 관련된 일반화된 행동을 반영하는지 규명하는 것.

제안 방법

• 다양한 편류 전류와 자기장 조건에서 BNCD 필름의 저항-온도(R(T)) 곡선을 체계적으로 측정하는 것.
• 피크 저항과 편류 전류 간의 로그-로그 분석을 통해 스케일링 지수 η를 추출하여 일반화된 행동를 확인하는 것.
• 낮은 편류 전류 조건에서 피크 저항과 자기장 간의 상관관계를 분석하여 스케일링 일관성을 검증하는 것.
• Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT) 전이와 관련된 응집 피크를 식별하기 위해 전류에 대한 미분 전도도(dI/dV vs. I)를 사용하는 것.
• 자기저항 데이터 분석을 통해 비틀림 침투와 자기 영역 형성과 피크 이동 간의 연관성을 규명하는 것.
• 입자 경계면에서 U(쿨롱 에너지)와 Γ(터널 결합) 간의 상호작용에 기반한 이론적 해석을 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 편류 전류는 BNCD 필름의 T_C 근처 R(T) 곡선에서 보존 절연체 피크의 형상과 위치에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 피크 저항의 편류 전류에 대한 스케일링 행동은 무엇이며, 다양한 입자 크기에서 일반화된 행동를 보이는가?
• RQ3 자기장의 적용은 보존 절연체 피크의 온도 위치에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 저항의 편류 전류에 따른 η ≈ −0.94에서 −0.96의 스케일링을 뒷받침하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 R(T), 자기저항, 그리고 미분 전도도에서 관측된 비정상적 특성들은 BKT 유형의 전이와 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 편류 전류가 감소할수록 R(T) 곡선에서 보존 절연체 피크가 더 두드러지게 나타나며, 이는 높은 전류에서 초전도 응집성이 억제됨을 시사한다.
• 자기장을 적용하면 보존 절연체 피크가 낮은 온도 쪽으로 이동하며, 이는 비틀림에 의해 유도된 자기 영역이 국소적 초전도 질서를 교란함을 나타낸다.
• 피크 저항과 편류 전류 간의 로그-로그 플롯에서 η ≈ −0.94에서 −0.96의 일반화된 선형 스케일링이 관찰되며, 거의 η ≈ −1의 행동를 나타낸다.
• η ≈ −1의 스케일링은 SIT의 양자临계점 근처에서 비평형 코нд로 유사 효과의 징후로 해석된다.
• 낮은 편류 전류 조건에서 저항 스케일링이 자기장과 선형 상관관계를 보이며, 관측된 스케일링 행동의 일반화를 뒷받침한다.
• R(T), 자기저항, 그리고 미분 전도도에서 관측된 비정상적 특성들은 불규칙한 입자 네트워크 내에서의 전하-BKT 및 비틀림-BKT 전이에 기인한다.