[논문 리뷰] Onset of superconductor-insulator transition in an ultrathin NbN film under in-plane magnetic field studied by terahertz spectroscopy

M. Šindler, F. Kadlec외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 31.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 32인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 5.3 nm 두께의 NbN 필름에서 면내 자기장 하에서 탄성파 시간 영역 분광법을 사용하여 초전도체-絕縁체 전이(SIT)를 조사한다. 맥스웰-가르니에 등效 매질 이론과 헤르만-후블리나 광학 전도도 모델을 조합함으로써, 저자들은 자기장이 쌍파괴 메커니즘을 통해 초전도성을 억제하고, 정상상 매트릭스 내에 초전도 도메인을 가진 비균질 상태를 유도함을 보여준다. 산란 비율은 자기장에 따라 선형적으로 증가하며, 이는 SIT 시작 부근에서 쌍파괴가 지배적인 메커니즘임을 확인한다.

ABSTRACT

Optical conductivity of a moderately disordered superconducting NbN film was investigated by terahertz time-domain spectroscopy in external magnetic field applied along the film plane. The film thickness of about 5 nm was comparable with the coherence length, so vortices should not form. This was confirmed by the fact that no marked difference between the spectra with terahertz electric field set perpendicular and parallel to the external magnetic field was observed. Simultaneous use of Maxwell-Garnett effective medium theory and the model of optical conductivity by Herman and Hlubina proved to correctly reproduce the terahertz spectra obtained experimentally in a magnetic field of up to 7 T. This let us conclude that the magnetic field tends to suppress the superconductivity, resulting in an inhomogeneous state where superconducting domains are enclosed within a normal-state matrix. The scattering rate due to pair-breaking effects was found to linearly increase with magnetic field.

연구 동기 및 목표

• 초박두 NbN 필름에서 면내 자기장 하에서 초전도체-絕縁체 전이(SIT)의 시작을 조사한다.
• 이중 차원 초박두 초전도 필름에서 초전도성을 억제하는 쌍파괴 메커니즘의 역할을 규명한다.
• 테라헤르츠 분광법을 사용하여 자기장에 의해 유도된 전자적 비균질성을 특성화한다.
• 맥스웰-가르니에 등效 매질 이론과 헤르만-후블리나 광학 전도도 모델을 조합한 이론 모델이 실험 데이터와 얼마나 잘 일치하는지 검증한다.

제안 방법

• 3 K에서 최대 7 T의 자기장 하에서 5.3 nm 두께의 NbN 필름의 복소 광학 전도도를 측정하기 위해 테라헤르츠 시간 영역 분광법(THz-TDS)을 사용하였다.
• 이sovotropic 성질을 평가하기 위해 두 가지 실험 기하학을 적용하였다: 테라헤르츠 전기장이 면내 자기장과 평행(E∥) 및 수직(E⊥)인 경우.
• 복소 전도도 ˜σ(ν)는 두 가지 방법으로 추출되었다: (1) 기초 재료의 굴절률과 위상 지연을 포함한 식 (1)을 직접 피팅하는 방법, (2) 정상상 전도도를 기준으로 하여 식 (3)을 이용한 비율 기반 평가 방법.
• 비균질 초전도 상태를 기술하기 위해 맥스웰-가르니에 등效 매질 모델을 적용하였으며, 정상상 매트릭스 내에 존재하는 초전도 도메인을 다루었다.
• 초전도 성분을 기술하기 위해 헤르만-후블리나 광학 전도도 모델을 사용하였으며, 이는 쌍파괴 효과를 포함하였다.
• 이론적 피팅을 실험 스펙트럼과 비교하여 모델의 타당성을 검증하고, 자기장에 의존하는 산란 비율을 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 면내 자기장은 초박두 NbN 필름의 광학 전도도에 SIT 부근에서 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비틀림이 없는 5.3 nm 두께의 NbN 필름에서 면내 자기장 하에서 관측된 초전도성 억제의 근본 원인은 무엇인가?
• RQ3 면내 자기장은 전자적 비균질성을 어느 정도 유도하며, 이는 테라헤르츠 스펙트럼에 어떻게 반영되는가?
• RQ4 맥스웰-가르니에 등效 매질 이론과 헤르만-후블리나 모델의 조합이 다양한 자기장 하에서 실험적 테라헤르츠 스펙트럼을 정확히 재현할 수 있는가?

주요 결과

• E∥ 및 E⊥ 편광 간에 유의미한 차이가 관측되지 않아, 필름 두께가 코herence 길이와 유사하여 비틀림이 발생하지 않았음을 확인하였다.
• 자기장은 쌍파괴를 통해 초전도성을 억제하고, 정상상 매트릭스 내에 존재하는 초전도 도메인을 가진 비균질 상태를 유도한다.
• 쌍파괴에 기인한 산란 비율은 자기장에 따라 선형적으로 증가하며, 데이터 피팅을 통해 비례관계가 확인되었다.
• 맥스웰-가르니에 등效 매질 이론과 헤르만-후블리나 모델의 조합은 최대 7 T까지 실험적 테라헤르츠 스펙트럼을 성공적으로 재현하였다.
• 드루 모델은 정상상 전도도를 정확히 기술하였으며, 산란 시간 τn = (15 ± 8) fs로 추정되어 중간 수준의 불순도를 나타낸다.
• 임계 온도 Tc = 13.9 K로 측정되었으며, 두꺼운 NbN 필름보다 略적으로 낮아 초박두 필름에서 증가한 불순도 효과와 일치한다.