[논문 리뷰] The Ground-state Inter-plane Superconducting Coherence Length of La$_{1.875}$Sr$_{0.125}$CuO$_4$ Measured by a "Xiometer"

Itay Mangel, Amit Keren|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 13.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고체 초전도체에서의 지속 전류를 유도하기 위해 긴 자극 windings을 사용하는 새로운 실험 방법인 'Xiometer'를 소개한다. 이 방법을 통해 코발트산염에서의 기저 상태 이면 간섭 길이 ξc를 직접 측정할 수 있다. La1.875Sr0.125CuO4에 적용한 결과, T → 0 K에서 ξc = 1.3 ± 0.1 nm를 얻었으며, 이는 삼차원적인 코페어 쌍을 시사한다. 이 결과는 이전의 Hc2 외삽 결과와 일치하지만, 기존의 매우 비대칭적이고 2차원적인 쌍 형성 가정에 도전한다.

ABSTRACT

A long excitation coil piercing a superconducting (SC) ring is used to generate ever increasing persistent current in the ring, until the current destroys the order parameter. Given that the penetration depth $λ$ is known, this experiment measures, hypothetically, the coherence length $ξ$, hence the name "Xiometer". We examine various aspects of this theoretically driven hypothesis by testing niobium rings with different dimensions, and by comparing the results to the known values of $ξ$. We then apply the method to two La$_{1.875}$Sr$_{0.125}$CuO$_4$ rings at $T ightarrow 0$. In one, the current flows in the CuO$_2$ planes hence it is set by $ξ_{ab}$. In the other, the current must cross planes and is determined by $ξ_{c}$. We find that $ξ_{c}=1.3 \pm 0.1$~nm, and $ξ_{ab}<2.3~$nm indicating that at low temperatures the Cooper pairs are three dimensional.

연구 동기 및 목표

• 기본 초전도체에서 측정이 어려운 c방향에 대해 초전도 성질의 코herence 길이 ξ를 측정하기 위한 새로운 실험 방법을 개발하고 검증하는 것.
• 알려진 ξ와 λ를 가진 니오븀 링을 이용해 'Xiometer'의 이론적 프레임워크를 검증하는 것.
• 저온 조건(T = 1.6 K)에서 매우 비대칭적인 코발트산염인 La1.875Sr0.125CuO4에서 ξc와 ξab를 측정하기 위해 Xiometer를 적용하는 것.
• LSCO-1/8에서 코페어 쌍이 삼차원적인지 아니면 매우 비대칭적인지 확인하여, 코발트산염 초전도성의 핵심 미해결 문제를 해결하는 것.
• Hc2 외삽 방법의 불확실성을 피하기 위해 T → 0 K에서 ξc의 직접적이고 실험적으로 검증된 측정치를 제공하는 것.

제안 방법

• Xiometer는 초전도 링을 관통하는 긴 초전도성 자극 windings(EC)을 사용하여 조절 가능한 자기장 흐름을 생성하고, 지속 전류를 유도한다.
• 초전도 상태의 질서 매개변수 파괴 시점인 임계 전류 Ic는 SQUID 기구계를 통해 링의 자기모멘트를 EC 전류의 함수로 측정함으로써 결정된다.
• 임계 흐름 Φc는 자기모멘트의 선형성에서 벗어지는 지점으로서, 비틀림 입자가 유입되고 질서 매개변수의 억제가 시작되는 신호로 정의된다.
• 이 방법은 기브스-랜드의 이론에서 유도된 관계식 Φc ∝ (λξ) r_out²에 기반하며, 여기서 λ는 침투 깊이이고 ξ는 코herence 길이다.
• 높이 h ≥ r_out인 링의 경우 외부 반경 r_out이 임계 흐름에 지배적인 영향을 미치며, 분석이 r_out과 λξ의 곱에만 의존하게 된다.
• 이 방법은 먼저 λ = 38 nm, ξ = 39 nm인 알려진 값이 있는 니오븀 링을 대상으로 검증되었으며, 이론 및 문헌 값과 양호한 일치를 보였다.

Figure 1: Experimental setup: (a) A niobium ring on a SC excitation coil (photo), an illustration of the gradiometer, and the external coil that serves as a shim. (b) Niobium rings with different inner radii (up), outer radii (middle), and different height (down).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Xiometer 방법은 λ와 ξ가 알려진 초전도체에서 기저 상태의 코herence 길이 ξ를 신뢰성 있게 측정할 수 있는가?
• RQ2 T → 0 K에서 La1.875Sr0.125CuO4의 이면 간섭 길이 ξc는 얼마이며, ξab와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ3 LSCO-1/8에서 코페어 쌍은 삼차원적인가 아니면 매우 비대칭적인가, 이는 ξc/ξab 비율에 의해 시사되는가?
• RQ4 Xiometer는 특히 압축된 자기장에서 유도된 논란의 여지가 있는 0.86 nm 값과 일치하는 Hc2 외삽 결과를 도출하는가?
• RQ5 Xiometer는 고온 외삽에 의존하지 않고도 코발트산염에서 코페어 쌍의 차원성에 대한 근본적인 질문을 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 니오븀 링을 대상으로 한 Xiometer 검증 결과, 측정된 λξ = 1267 ± 32.5 nm²는 문헌 값 1482 nm²와 유사하여 방법의 신뢰성을 확인하였다.
• LSCO-1/8의 a-링에서 전류가 주로 c방향으로 흐르므로, 2.2 A의 임계 전류가 관측되어 초전도 전류 흐름이 끊어지는 것을 시사하였다.
• λc = 4500 nm와 a-링의 임계 흐름을 사용하여, T = 1.6 K에서 ξc = 1.3 ± 0.1 nm로 결정하였다.
• 동일한 방법을 사용해 λab = 350 nm를 이용하여 ξab < 2.3 nm의 상한선을 설정하였으며, ab면 쌍 형성 역시 짧은 범위임을 시사하였다.
• 측정된 ξc = 1.3 ± 0.1 nm는 이전에 보고된 Hc2 = 250 T 외삽 결과(ξc ≈ 1.3 nm)와 양호한 일치를 보이며, 그 타당성을 뒷받침한다.
• 결과는 LSCO-1/8에서 코페어 쌍이 이전에 생각했던 것보다 더 삼차원적임을 시사하며, ξc ≈ ξab로서 전통적인 매우 비대칭적이고 2차원적인 쌍 형성 관점에 도전한다.

Figure 2: Raw data. Main: The squid output voltage $V$ as a function of the relative position $z$ of a Nb ring and coil to the gradiometer center. The EC current is $10.0$ mA, $T=1.6$ K, and the ring dimensions are: $r_{in}=1.0$ mm, $r_{out}=1.75$ mm, and $h=1.0$ mm. Red spheres is the EC signal wit