[논문 리뷰] Spectroscopic evidence for strong correlations between local resistance and superconducting gap in ultrathin NbN films

C. Carbillet, V. Cherkez외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 05.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 턨널링 스펙트로스코피를 사용하여 초박공성 NbN 필름에서 국소 초전도 갭 비균일성이 페르미온 효과에 기인함을 입증한다: 전자-전자 상호작용으로 인해 국소 저항도가 증가하여 알츠후러-아로노프 효과에 의해 국소 상태 밀도(LDOS)가 억제된다. 이 국소 저항도 변화는 국소 핀켈슈타인 메커니즘을 통해 갭 억제를 이끌어내며, 보존성 페시드 갭 특성 없이도 초전도 비균일성을 정량적으로 순수하게 페르미온 기반으로 설명한다.

ABSTRACT

Disorder has different profound effects on superconducting thin films. For a large variety of materials, increasing disorder reduces electronic screening which enhances electron-electron repulsion. These fermionic effects lead to a mechanism described by Finkelstein: when disorder combined to electron-electron interactions increases, there is a global decrease of the superconducting energy gap $\Delta$ and of the critical temperature $T_c$, the ratio $\Delta$/$k_BT_c$ remaining roughly constant. In addition, in most films an emergent granularity develops with increasing disorder and results in the formation of inhomogeneous superconducting puddles. These gap inhomogeneities are usually accompanied by the development of bosonic features: a pseudogap develops above the critical temperature $T_c$ and the energy gap $\Delta$ starts decoupling from $T_c$. Thus the mechanism(s) driving the appearance of these gap inhomogeneities could result from a complicated interplay between fermionic and bosonic effects. By studying the local electronic properties of a NbN film with scanning tunneling spectroscopy (STS) we show that the inhomogeneous spatial distribution of $\Delta$ is locally strongly correlated to a large depletion in the local density of states (LDOS) around the Fermi level, associated to the Altshuler-Aronov effect induced by strong electronic interactions. By modelling quantitatively the measured LDOS suppression, we show that the latter can be interpreted as local variations of the film resistivity. This local change in resistivity leads to a local variation of $\Delta$ through a local Finkelstein mechanism. Our analysis furnishes a purely fermionic scenario explaining quantitatively the emergent superconducting inhomogeneities, while the precise origin of the latter remained unclear up to now.

연구 동기 및 목표

• 불순물이 많은 초박공성 NbN 필름에서 공간적으로 비균일한 초전도 갭의 기원을 이해하기 위해.
• 특히 전자-전자 상호작용과 국소 저항도와 같은 페르미온 효과가 관측된 갭 비균일성을 설명할 수 있는지 확인하기 위해.
• 강한 전자 상호작용으로 인한 알츠후러-아로노프 효과가, 갭 억제와 관련된 측정 가능한 LDOS 억제를 유도하는지 테스트하기 위해.
• 저항도 변화가 초전도 갭을 어떻게 국소적으로 조절하는지에 대한 정량적이고 국소적인 기술을 제공하여, 보존성 페시드 갭 현상과는 독립적으로 설명하기 위해.

제안 방법

• 스캐닝 터널링 스펙트로스코피(STS)를 사용하여 초박공성 NbN 필름 전역에서 국소 전자적 성질, 특히 초전도 갭 Δ와 국소 상태 밀도(LDOS)를 맵핑하였다.
• Fermi 수준 근처에서 측정된 LDOS 억제는 국소 저항도 변화를 추출하기 위해 정량적으로 모델링되었다.
• 불순물 시스템에서 강한 전자-전자 상호작용을 다루는 핀켈슈타인 이론을 국소적으로 적용하여 저항도 증가와 Δ 감소 간의 연관성을 설정하였다.
• 국소 저항도가 LDOS 억제와 강하게 상관관계가 있음을 입증하였으며, 이는 강한 상관 전자계에서 알츠후러-아로노프 효과와 일치한다.
• 측정된 LDOS 억제와 예측된 저항도 유도 효과 사이의 정량적 비교를 통해 갭 비균일성의 페르미온 기원을 확인하였다.
• 분석은 Tc 이하의 국소 변동성과 잠재적 서브갭 특성에 초점을 맞춰 보존성 기여를 배제함으로써, 페르미온 메커니즘을 고립시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자-전자 상호작용에 의해 유도된 국소 저항도 변화가 초박공성 NbN 필름에서 공간적으로 비균일한 초전도 갭 Δ와 얼마나 상관관계가 있는가?
• RQ2 강한 전자 상관관계로 인한 알츠후러-아로노프 효과로 인해 Fermi 수준 근처에서 관측된 국소 상태 밀도(LDOS) 억제를 정량적으로 설명할 수 있는가?
• RQ3 증가한 국소 저항도가 Δ를 억제하는 국소 핀켈슈타인 메커니즘이 보존성 페시드 갭 특성 없이도 관측된 갭 비균일성을 설명하는 데에 충분한가?
• RQ4 LDOS와 Δ과 같은 국소 전자적 성질이 필름 전역에서 어떻게 공변동하는가? 이는 갭 억제의 주요 미세 구조 메커니즘에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• NbN 필름에서 국소 저항도 변화가 알츠후러-아로노프 효과가 예측한 바와 같이 Fermi 수준 근처에서 국소 상태 밀도(LDOS) 억제와 직접적으로 상관관계가 있음을 확인하였다.
• 측정된 LDOS 억제가 국소 전자-전자 상호작용 기반 이론 예측과 정량적으로 일치하여, 강한 상관관계에 기인한 기원임을 확인하였다.
• 초전도 갭 Δ의 공간적 비균일성이 국소 저항도 증가와 강하게 상관관계가 있음을 발견하여, 국소 핀켈슈타인 메커니즘이 지배적임을 지지하였다.
• 이 연구는 보존성 페시드 갭 메커니즘을 필요로 하지 않는 순수하게 페르미온 기반의 초전도 비균일성 설명을 제공하였다.
• Δ/kBTc 비율이 필름 전역에서 약 일정하게 유지되었으며, 이는 국소적인 Δ 변화에도 불구하고 핀켈슈타인 메커니즘과 일치하였다.
• Tc 이상에서 국소 스펙트럼에서 보존성 페시드 갭이 관측되지 않아, 갭 비균일성을 이끄는 데 있어 페르미온 효과의 지배적 역할을 뒷받침하였다.