[논문 리뷰] Quantum meets classical phase transition: Low-temperature anomaly in disordered superconductors near $B_{c2}$

Benjamin Sacépé, Johanna Seidemann외 6명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2016. 09. 22.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 46인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 불순물이 많은 초전도체에서 근처 온도에서 B_{c2}(T)의 선형 T-의존성이라는 오랫동안 해결되지 않은 수수께끼를 뉘앙스-글라스 열역학적 변동과 연결함으로써 해결한다. 비정질 인듐 산화물 필름에 대한 실험에서는 임계 전류 jc(B)가 |B - B_{c2}(0)|^{1.6} 비례함을 보이며, 이는 평균장 이론과 일치한다. 이론적으로는 T→0에서 dB_{c2}/dT가 시트 저항에 비례함을 예측하였고, 실험적으로도 이를 확인하였다.

ABSTRACT

Strongly disordered superconductors in a magnetic field display many characteristic properties of type-II superconductivity--- except at low temperatures where an anomalous linear $T$-dependence of the resistive critical field $B_{c2}$ is routinely observed. This behavior violates the conventional theory of superconductivity, and its origin remains a long-standing puzzle. Here we report on systematic measurements of the critical magnetic field and current on amorphous indium oxide films of various levels of disorder. Surprisingly, our measurements show that the $B_{c2}$ anomaly near zero-temperature is accompanied by a clear mean-field like scaling behavior of the critical current. We demonstrate theoretically that these are consequences of the vortex-glass ground state and its thermal fluctuations. This theory further predicts the linear-$T$ anomaly to occur in films as well as bulk superconductors with a slope that depends on the normal-state sheet resistance---in agreement with experimental data. Thus, our combined experimental and theoretical study reveals universal low-temperature behavior of $B_{c2}$ in a large class of disordered superconductors.

연구 동기 및 목표

• 비정질 초전도체에서 T=0 근처에서 관측된 선형 T-의존성 B_{c2}(T)의 지속적인 실험적 이질성을 해결하기 위해.
• 관측된 저온 행동이 미세구조적 변동인지 또는 새로운 양자 상인지 결정하기 위해.
• B_{c2}(0) 근처에서 임계 전류 jc(B)를 측정하여 초유동 강성과 기초적인 임계 행동을 탐색하기 위해.
• 뉘앙스-글라스 열역학적 변동을 바탕으로 B_{c2}(T)의 선형 T-의존성을 이론적으로 설명하는 프레임워크를 수립하기 위해.
• 비정질 초전도체 전반에 걸쳐 정상 상태 시트 저항과의 보편적 스케일링을 확립하기 위해.

제안 방법

• 불순성과 시트 저항이 다양하게 조절된 비정질 인듐 산화물(a:InO) 필름에서 B_{c2}(T)와 jc(B)를 체계적으로 측정함.
• 비틀림이 강하게 고정된 뉘앙스-글라스 상에서 뉘앙스-글라스 상에서의 초유동 강성 ρ_s(B)를 대체로 임계 전류 jc를 사용함.
• 저온에서 B_{c2}(T)의 선형 T-의존성을 설명하기 위해 뉘앙스-글라스 열역학적 변동을 이론적으로 모델링함.
• BKT 이론과 ρ_s(T,B) 및 갭 함수를 포함하는 초유동 강성 표현식을 사용하여 정규화된 기울기 db(t)/dt|_{t→0}을 유도함.
• 평균장 조건 α=0과 BCS 유사 갭 방정식을 사용하여 임계 온도 T_c0를 계산함.
• 이론적 예측과 실험 데이터를 비교하여 T→0에서 dB_{c2}/dT가 R_□에 비례한다는 것을 확인함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정질 초전도체에서 저온에서 B_{c2}(T)의 이례적인 선형 T-의존성의 원인은 무엇인가?
• RQ2 관측된 임계 전류 스케일링 jc(B) ∝ |B - B_{c2}(0)|^{1.6}은 평균장 이론과 일치하는가, 아니면 미세구조적 변동 이론과 일치하는가?
• RQ3 T=0 근처에서 B_{c2}(T)의 기울기는 정상 상태 시트 저항 R_□에 의존하는가?
• RQ4 뉘앙스-글라스 열역학적 변동은 B_{c2}(T)의 저온 이질성을 설명할 수 있는가?
• RQ5 관측된 행동은 다양한 비정질 초전도체에서 보편적인가?

주요 결과

• 임계 전류 jc(B)는 자기장에 대해 거듭제곱 법칙에 따라 의존하며, 지수 υ ≈ 1.6를 보이며, 이는 평균장 값 υ = 3/2와 일치하고, 지수적 스케일링을 예측하는 미세구조적 변동 이론과는 불일치한다.
• 기울기 dB_{c2}/dT|_{T→0}은 정상 상태 시트 저항 R_□에 비례하는 것으로 예측되며, 실험 데이터로 확인되었다.
• 이론적 분석은 뉘앙스-글라스 상태의 열역학적 변동이 B_{c2}(T)의 선형 T-의존성의 원인임을 보여주며, T=0에서의 초유동 강성은 여전히 평균장 유사한 성질을 띤다.
• jc(B)와 B_{c2}(T)의 관측된 스케일링은 비정질 초전도체 전반에 걸쳐 보편적이며, 얇은 필름과 부피 재료 모두 포함된다.
• 이론적 모델링은 뉘앙스-글라스 상태가 미세구조적 변동이 아닌, 선형 T-의존성을 설명하는 핵심임을 확인하였으며, 수십 년간의 수수께끼를 해결하였다.
• 강한 불순성 시스템에서 ρ_s0/T_c0 비율이 감소하여, 반도체 이론에 의해 예측된 것보다 더 큰 실험적 값의 정규화된 기울기 K를 관측하였다.