[논문 리뷰] Observation of two distinct pairs fluctuation lifetimes and supercurrents in the pseudogap regime of cuprate junctions

G. Koren, Patrick A. Lee|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2016. 09. 06.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 두 개의 서로 다른 임계 온도를 가진 c축 조인전에서 고온 초전도체 접합의 가상간격 영역에서 쌍 궤환을 조사한다. 면내 자기장 하에서 전도도 스펙트럼을 측정함으로써, 짧고 긴 두 가지의 쌍 궤환 수명이 존재함을 밝혀내었으며, 이는 높은 Tc까지도 지속됨을 시사한다. 이는 사전 형성된 쌍 또는 변동하는 쌍 밀도파가 공존함을 의미하며, 긴 수명 성분은 약한 자기장 의존성, 짧은 수명 성분은 거의 자기장에 의존하지 않음을 보여준다.

ABSTRACT

Pairs fluctuation supercurrents and inverse lifetimes were measured on epitaxial c-axis junctions of the cuprates in the pseudogap regime, with a $PrBa_2Cu_3O_{7-δ}$ barrier sandwiched in between two $YBa_2Cu_3O_{7-δ}$ or doped $YBa_2Cu_3O_y$ electrodes, with or without magnetic fields parallel to the a-b planes. All junctions had a $ m T_c(high)\approx 85-90$ K and a $ m T_c(low)\approx 50-55$ K electrodes, allowing us to study pairs fluctuation supercurrents and inverse life times in between these two temperatures. In junctions with a pseudogap electrode under zero field, an excesss current due to pair fluctuations was observed which persisted at temperatures above $ m T_c(low)$, in the pseudogap regime, and up to about $ m T_c(high)$. No such excess current was observed in junctions without a pseudo-gap in the electrode. The measured conductance spectra at temperatures above $ m T_c(low)$ were fitted using a modified fluctuations model by Scalapino [Phys. Rev. Lett. extbf{24}, 1052(1970)] of a junction with a serial resistance. We found that in the pseudo-gap regime, the conductance vs voltage consists of a narrow peak sitting on top of a very broad peak. This yielded two distinct pairs fluctuation lifetimes in the pseudogap electrode which differ by an order of magnitude up to about $ m T_c(high)$. Under in-plane fields, these two lifetime values remain separated in two distinct groups, which varied with increasing field moderately. We also found that detection of Amperian pairing [Phys. Rev. X extbf{4}, 031017 (2014)] in our cuprate junctions is not feasible, due to Josephson vortices penetration into the superconducting electrodes which drove the necessary field above the depairing field.

연구 동기 및 목표

• 고온 초전도체의 가상간격 영역에서 초전도 쌍 궤환의 성격을 탐구하기 위해.
• 가상간격이 초전도 쌍 궤환에 기여하는 사전 형성된 쌍 또는 쌍 밀도파(PDW)와 같은 경쟁 질서가 존재하는지 확인하기 위해.
• 두 개의 서로 다른 Tc 전극을 가진 c축 접합에서 궤환 수명과 초전류를 측정하기 위해.
• 터널 접합에서 자기장 조절을 통해 Amperean 쌍 형성의 가능성을 탐지할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• PrBa2Cu3O7−δ (PrBCO) 장벽을 갖는 에pitaxial c축 접합을 제작하였으며, 이는 YBa2Cu3Oy 전극 사이에 끼워져 있으며, 한쪽은 Tc ≈ 85–90 K, 다른 한쪽은 Tc ≈ 50–55 K를 가짐.
• 0에서 몇 테슬라까지의 면내 자기장 하에서 저온 전송 측정(전류-전압 특성)을 수행함.
• Scalapino(1970)의 수정된 궤환 모델에 시리즈 저항을 통합하여 전도도 스펙트럼을 피팅함. 좁고 넓은 피크의 초합을 가정함.
• 전도도를 두 개의 로렌츠 피크의 합으로 피팅함으로써 궤환 수명(Γ⁻¹)을 추출함: 하나는 좁은 피크(짧은 수명 쌍), 다른 하나는 넓은 피크(긴 수명 쌍).
• 보조 자료의 식 (9)를 반복적 피팅하여 두 궤환 성분의 매개변수를 정밀화함.
• PDW 쌍 형성에 대한 이론 예측과 결과를 비교하고, 자기장 조절을 통한 Amperean 쌍 형성의 탐지 가능성 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가상간격 영역에서 Tc(low) 이상의 영역에서도 쌍 궤환이 지속되며, 이는 측정 가능한 초전류를 유도할 수 있는가?
• RQ2 가상간격 상태에서 두 개의 구분되는 궤환 수명이 존재하는가, 그리고 이는 서로 다른 쌍 형성 메커니즘과 관련이 있는가?
• RQ3 면내 자기장은 두 궤환 성분에 어떤 영향을 미치며, 이는 그들의 위상 일관성 길이와 운동량 구조에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 자기장 조절을 통해 Amperean (Amperean 쌍 형성)의 서명을 이러한 접합에서 탐지할 수 있는가?
• RQ5 관측된 두 개의 구분되는 궤환 수명의 미세 구조적 기원은 무엇인가?

주요 결과

• 가상간격 전극이 있는 접합에서 Tc(low) 이상, Tc(high) ≈ 85–90 K까지도 쌍 궤환에 기인한 초과 전류가 관측되었으며, 가상간격 전극이 없는 접합에서는 관측되지 않았다.
• Tc(low) 이상의 전도도 스펙트럼은 매우 넓은 피크 위에 좁은 피크가 겹쳐져 있어, 약 한 계급 차이의 궤환 수명이 존재함을 나타내며, 이는 두 가지의 구분되는 쌍 궤환 수명을 의미한다.
• 넓은 피크의 역수 수명(Γ₁⁻¹)은 길며, 면내 자기장 증가에 따라 약간만 변화함. 반면 좁은 피크의 역수 수명(Γ₂⁻¹)은 짧고 거의 자기장에 의존하지 않음.
• 긴 수명 궤환 성분(Γ₁⁻¹)은 약한 자기장 의존성을 보이며, 더 큰 위상 일관성 길이를 시사함. 반면 짧은 수명 성분(Γ₂⁻¹)은 거의 자기장에 민감하지 않으며, 짧은 위상 일관성 길이일 수 있음을 시사함.
• 자기장 하에서도 두 궤환 성분은 두 개의 구분된 군으로 유지되었으며, Γ₂와 A₂(진폭)는 거의 일정함으로써 두 궤환 모드의 강력한 분리가 확인됨.
• 필요한 자기장 강도(수천 테슬라)가 파괴 자기장보다 훨씬 초과하여, Amperean 쌍 형성의 탐지 가능성은 배제됨. 따라서 실험은 실현 불가능함.