[논문 리뷰] New paradigm for a disordered superconductor in a magnetic field

Anushree Datta, Anurag Banerjee외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 1인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 자기장 내에서 질서가 어긋난 2차원 s파형 초전도체에 대한 새로운 개념을 제안하며, 이질성과 자기장이 함께 작용함으로써 금속성 핵을 가진 Abrikosov 비틀림에서 절연성 핵을 가진 Josephson 비틀림으로의 전이를 이끌어낸다. 초유동성 강성 붕괴의 임계장(Hc)과 에너지 갭 억제는 질서가 증가함에 따라 발산하며, 이는 실험에서 관찰된 거대 자기저항 피크와 영점 편향 Caroli-de Gennes-Matricon(CdGM) 피크의 억제를 설명하는 가짜 갭 상태를 만든다.

ABSTRACT

We show that while orbital magnetic field and disorder, acting individually weaken superconductivity, acting together they produce an intriguing evolution of a two-dimensional type-II s-wave superconductor. For weak disorder, the critical field H_c at which the superfluid density collapses is coincident with the field at which the superconducting energy gap gets suppressed. However, with increasing disorder these two fields diverge from each other creating a pseudogap region. The nature of vortices also transform from Abrikosov vortices with a metallic core for weak disorder to Josephson vortices with gapped and insulating cores for higher disorder. Our results naturally explain two outstanding puzzles: (1) the gigantic magnetoresistance peak observed as a function of magnetic field in thin disordered superconducting films; and (2) the disappearance of the celebrated zero-bias Caroli-de Gennes-Matricon peak in disordered superconductors.

연구 동기 및 목표

• 박막 질서가 어긋난 초전도체 필름에서 오랫동안 해결되지 않은 거대 자기저항 피크의 수수께끼를 해결하기 위해.
• 자기장 하에서 질서가 어긋난 초전도체에서 영점 편향 Caroli-de Gennes-Matricon(CdGM) 피크가 사라지는 이유를 설명하기 위해.
• 2차원 s파형 초전도체에서 이질성과 궤도 자기장 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 자기장 하에서 약한 질서에서 강한 질서로의 비틀림 구조와 전자적 성질의 변화를 규명하기 위해.

제안 방법

• 현위치 이질성과 자기류를 가진 2차원 격자 모델에서 자성계수 Bogoliubov-de Gennes(BdG) 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• 국소 상태 밀도(LDOS) 계산을 통해 비틀림 핵 상태를 탐색하고, CdGM 피크와 같은 유한 상태를 식별하였다.
• 자기장과 이질성 강도의 함수로서 초유동성 강성(Ds)과 에너지 갭(Eg)을 분석하였다.
• 초유동성 강성과 에너지 갭의 변화를 분석하여 Abrikosov 비틀림과 Josephson 비틀림을 구별하기 위해 오더 파라미터와 LDOS의 공간 프로파일을 추적하였다.
• 비틀림 핵에서 국소 불순물 잠재 에너지 분포의 통계 분석을 통해 이질성 효과를 평가하였다.
• Fermi의 황금률 추정치를 사용하여 이질성 강도와 DC 전기저항 간의 관계를 설정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질성과 자기장의 공존이 초전도 상태 파라미터 붕괴의 임계장을 어떻게 변화시키는가?
• RQ2 왜 이질성 있는 필름에서 초전도체-절연체 전이 임계장보다 훨씬 높은 자기장에서 자기저항이 급격히 피크를 이룬다?
• RQ3 왜 영점 편향 CdGM 피크가 이질성 있는 초전도 비틀림에서 억제되고 결국 사라지는가?
• RQ4 이질성이 증가함에 따라 비틀림의 성질이 Abrikosov 유형에서 Josephson 유형으로 어떻게 변화하는가?
• RQ5 국소 이질성 변동은 비틀림 핵의 결합과 잠재 상태 형성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 약한 이질성에서는 초유동성 강성이 붕괴되는 임계장 Hc가 에너지 갭이 억제되는 필드와 일치하며, 전통적인 BCS 행동과 일치한다.
• 이질성이 증가함에 따라 초유동성 강성 붕괴와 에너지 갭 억제의 임계장이 분리되며, Eg는 유한한 상태를 유지하지만 Ds는 사라지는 가짜 갭 상태가 형성된다.
• 이질성이 증가함에 따라 비틀림은 금속성 핵을 가진 Abrikosov 유형에서 갭이 있고 절연성 핵을 가진 Josephson 유형으로 전환된다.
• 거대 자기저항 피크는 자연스럽게 가짜 갭 상태와 절연성 비틀림 핵으로의 전이에 의해 발생하며, 실험에서 관찰된 피크의 비대칭성과 크기를 설명한다.
• CdGM 피크는 비틀림 핵에서 국소적 반발 불순물로 인해 영에너지에서 벗어나며 약화되며, 평균적으로 억제되어 LDOS에서 부드러운 갭이 형성된다.
• 낮은 자기장에서 비틀림은 높은 이질성 영역을 통과하는 것을 선호하지만, H가 증가함에 따라 비틀림은 더 약한 이질성 영역을 점유하게 되어, 잠재 상태의 확산을 가능하게 한다.