[논문 리뷰] The Berezinskii-Kosterlitz-Thouless Transition and Anomalous Metallic Phase in a Hybrid Josephson Junction Array

C. G. L. Bøttcher, Fabrizio Nichele외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 01.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 상단 게이트로 조절된 이중성 밀도의 InAs/Al 하이브리드 조지프슨 결합 진열에서 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) 전이와 비정상 금속(M*) 상의 상호작용을 조사한다. BKT 전이 온도 T_BKT가 초전도체에서 M*로의 경계에서 사라짐을 발견하여 M*에서 비완전한 비오-반비오 쌍성립이 일어남을 시사하며, M*에서 시트 저항의 자기장에 대한 거듭제곱 법칙 의존성이 지수 ≈1/2로 관측되어 비-BKT, 비초전도 금속 상태와 일치함을 확인함.

ABSTRACT

We investigate the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) transition in a semiconductor-superconductor two-dimensional Josephson junction array. Tuned by an electrostatic top gate, the system exhibits separate superconducting (S), anomalous metal (M*), and insulating (I) phases, bordered by separatrices of the temperature-dependent of sheet resistance, $R_{s}$. We find that the gate-dependent BKT transition temperature falls to zero at the S-M* boundary, suggesting incomplete vortex-antivortex pairing in the M* phase. In the S phase, $R_{s}$ is roughly proportional to perpendicular magnetic field at the BKT transition, as expected, while in the M* phase $R_{s}$ deviates from its zero-field value as a power-law in field with exponent close to 1/2 at low temperature. An in-plane magnetic field eliminates the M* phase, leaving a small scaling exponent at the S-I boundary, which we interpret as a remnant of the incipient M* phase.

연구 동기 및 목표

• 이중성 밀도의 하이브리드 조지프슨 결합 진열에서 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) 전이와 비정상 금속(M*) 상 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 게이트 전압 의존성에 기반한 BKT 전이 온도와 시트 저항의 분석을 통해 M* 상의 성격을 규명하기 위해.
• 수직 및 평행 자기장에 대한 시스템의 반응을 분석하여 M* 상의 안정성과 기원을 탐구하기 위해.
• 비정상 금속 상이 진정한 금속 상태인지 아니면 초전도성의 전구단계인지에 대해 저항 등온선의 스케일링 분석을 통해 평가하기 위해.

제안 방법

• 전체 전기적 게이트를 통해 초전도체(S), 비정상 금속(M*), 절연체(I) 상에 도달하도록 시스템을 조절하기 위해.
• 온도 의존 시트 저항 $R_s(T)$를 다양한 게이트 전압에서 측정하여 오목성 및趋음 행동을 통해 상 경계를 식별하기 위해.
• BKT 전이 분석을 위해 $R_s(T)$를 BKT 형태인 $R_s(T) \propto \frac{1}{\ln(T/T_{\rm BKT})}$로 피팅하여 게이트 전압 의존성에 따른 $T_{\rm BKT}$ 추출하기.
• S 및 M* 상에서 수직 자기장 $B_\perp$ 에 대한 $R_s$ 의 거듭제곱 법칙 의존성을 측정하고, $R_s \propto B_\perp^\beta$ 에서 지수 $\beta$ 추출하기.
• 평행 자기장을 적용하여 M* 상을 억제하고, $|V_G^{S-I} - V_G| T^{-\alpha}$ 를 사용한 저항 등온선의 스케일링 행동 분석을 통해 스케일링 지수 $\alpha$ 추출하기.
• S-M*, M*-I, S-I 경계에서 스케일링 분석을 수행하여 임계 행동을 평가하고, 작은 $\alpha$ 값이 M* 상의 잔유로 간주됨을 해석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BKT 전이 온도 $T_{\rm BKT}$ 가 S-M* 경계에서 사라지며, M* 상에서 비오-반비오 쌍성립이 영구적으로 붕괴됨을 의미하는가?
• RQ2 M* 상에서 시트 저항의 자기장 의존성은 어떻게 되며, 이는 비-BKT 금속 이론에서 예측한 바와 같이 지수 1/2 근처의 거듭제곱 법칙을 따르는가?
• RQ3 평행 자기장이 비정상 금속 상의 안정성과 저항 등온선의 스케일링 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 S-M* 경계에서 관측된 작은 스케일링 지수 $\alpha \approx 0.01$ 은 M* 상 억제 후에도 여전히 그 잔유로 해석될 수 있는가?
• RQ5 M*-I 경계에서 $R_s \sim R_Q$ 라는 조건은 전통적인 초전도체-절연체 전이와 일치하는가, 아니면 임박한 M* 행동의 잔유를 반영하는가?

주요 결과

• BKT 전이 온도 $T_{\rm BKT}$ 는 S-M* 경계에서 0으로 외삽되며, 이는 M* 상에서 온도가 0에 가까워질수록 비오-반비오 쌍이 결합하지 못함을 의미함.
• M* 상에서 시트 저항 $R_s$ 는 수직 자기장에 대해 거듭제곱 법칙 의존성을 보이며 지수 $\beta \approx 0.5$ 로 나타나 비초전도 금속 상태와 일치함.
• 0.5 T의 평행 자기장을 적용하여 M* 상이 억제되며, 이로 인해 등온선이 단일 교차점을 가지며 작은 스케일링 지수 $\alpha \approx 0.10$ 을 보이며, 이는 이전 M* 상의 잔유로 해석됨.
• 평행 자기장이 0인 조건에서 S-M* 경계의 스케일링 지수는 $\alpha = 0.01$ 이며, M*-I 경계에서는 저온 데이터를 포함할 경우 $\alpha = 0.13$ 으로 나타나, 전통적인 전이에 비해 상당히 작은 값임.
• M*-I 경계는 온도에 거의 영향을 받지 않으며 $R_s \sim 6$ k$\Omega$ 로 유지되며, 이는 전통적인 초전도체-절연체 전이에서의 $R_s \sim R_Q$ 와 유사함.
• M* 상에서 관측된 $\beta \approx 1/2$ 는 비오-반비오 쌍이 형성되지만 완전히 결합하지 못하는 이론적 그림과 일치하며, 결합 상수 $K = 1/\pi$ 를 반영함.