[논문 리뷰] Visualization of Multifractal Superconductivity in a Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenide in the Weak-Disorder Regime

Carmen Rubio-Verdú, Antonio M. Garcı́a-Garcı́a외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 18.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 낮은 온도에서의 저온 스캐닝 턨널링 현미경/스펙트로스코피를 사용하여 약한 불순성 조건 하에서 단일층 NbSe2에서 다중분형 초전도성의 직접적인 실험적 증거를 제공한다. 초전도 갭 너비와 코herence 피크 진폭의 공간적 변동이 준입자 간섭 패턴의 주기성과 일치하며, 이는 로그-노멀 분포와 멱법칙 상관관계 감쇠를 보이며, 다중분형의 핵심 징후인 것으로 밝혀졌다. 이는 2차원 약한 불순성 시스템에서의 비정상적 스케일링을 보여주는 특이성 스펙트럼 f(α)에 의해 검증되었다.

ABSTRACT

Eigenstate multifractality is a distinctive feature of non-interacting disordered metals close to a metal-insulator transition, whose properties are expected to extend to superconductivity. While multifractality in three dimensions (3D) only develops near the critical point for specific strong-disorder strengths, multifractality in 2D systems is expected to be observable even for weak disorder. Here we provide evidence for multifractal features in the superconducting state of an intrinsic weakly disordered single-layer NbSe$_2$ by means of low-temperature scanning tunneling microscopy/spectroscopy. The superconducting gap, characterized by its width, depth and coherence peaks' amplitude, shows a characteristic spatial modulation coincident with the periodicity of the quasiparticle interference pattern. Spatial inhomogeneity of the superconducting gap width, proportional to the local order parameter in the weak-disorder regime, follows a log-normal statistical distribution as well as a power-law decay of the two-point correlation function, in agreement with our theoretical model. Furthermore, the experimental singularity spectrum f($\\alpha$) shows anomalous scaling behavior typical from 2D weakly disordered systems.

연구 동기 및 목표

• 약한 불순성 조건 하에서 2차원 시스템에서 다중분형과 초전도성의 공존을 조사하기 위해.
• 단일층 NbSe2의 초전도 주문 매개변수에 공간적 비균일성이 다중분형 상태함수와 일치하는지 확인하기 위해.
• 2차원 시스템의 초전도 상태에서 다중분형 스케일링 이론 예측의 실험적 검증을 위해.
• 준입자 간섭 패tern과 초전도 갭 특성의 공간 분포 간의 연관성을 설정하기 위해.
• 초전도 주문 매개변수의 특이성 스펙트럼 f(α)를 특성화하고 이론 모델과 비교하기 위해.

제안 방법

• T = 1.1 K에서 저온 스캐닝 터널링 현미경 및 스펙트로스코피(STS)를 사용하여 초전도 갭, 코herence 피크 진폭 및 국소 상태 밀도의 공간적 변동을 맵핑하기 위해.
• 약한 불순성 영역에서 국소 주문 매개변수의 대체로 초전도 갭 너비의 공간 분포를 분석하기 위해.
• 샘플 전반에서 초전도 갭 진폭의 통계적 행동을 정량화하기 위해 로그-노멀 분포 피팅을 사용하기 위해.
• 간격이 중간 수준일 때의 갭 진폭에 대한 두 점 상관함수를 계산하여 다중분형 공간 상관관계를 나타내는 멱법칙 감쇠를 탐지하기 위해.
• 상자 세기 및 레지오르드 변환 방법을 사용하여 초전도 주문 매개변수의 공간 분포에서 특이성 스펙트럼 f(α)를 추출하기 위해.
• 무작위 국소 불순성을 포함한 2차원 격자에서의 보골리우브-데 게인스(BdG) 방정식을 사용한 수치 시뮬레이션을 수행하여 이론적 f(α)를 실험 데이터와 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 불순성 조건 하에서 단일층 NbSe2의 초전도 상태에서 주문 매개변수에 다중분형 공간 상관관계가 존재하는가?
• RQ2 초전도 갭 너비와 코herence 피크 진폭의 공간 변동이 로그-노멀 분포와 상관관계의 멱법칙 감쇠와 일치하는가?
• RQ3 실험적으로 추출된 특이성 스펙트럼 f(α)는 2차원 약한 불순성 시스템에서 특징적인 비정상적 스케일링 행동을 보이는가?
• RQ4 초전도 갭의 공간 비균일성은 재료 내 준입자 간섭 패턴과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 수치적 BdG 시뮬레이션은 관측된 실험적 f(α) 스펙트럼의 다중분형 특징을 어느 정도 재현하는가?

주요 결과

• 초전도 갭 너비는 준입자 간섭 패턴의 주기성과 관련된 나노미터 이하의 강한 공간적 변동을 보이며, 이는 다중분형 특성의 징후이다.
• 초전도 갭 진폭의 공간 분포는 로그-노멀 통계 분포를 따르며, 이는 다중분형 행동의 증거이다.
• 간격이 중간 수준일 때의 갭 진폭에 대한 두 점 상관함수는 멱법칙 감쇠를 보이며, 다중분형 공간 상관관계와 일치한다.
• 실험적으로 추출된 특이성 스펙트럼 f(α)는 앤더슨 전이 근처의 단일 상태함수에 기대하는 파arabolic 예측과 다름없이 비정상적 스케일링 행동을 보인다.
• 약한 불순성 조건 하에서 2차원 보골리우브-데 게인스(BdG) 방정식의 수치적 해는 실험적 f(α) 스펙트럼의 정성적 특징을 재현하며, 이는 파라볼라 형태에서의 이탈을 포함한다.
• 큰 국소화 길이 덕분에 관측된 다중분형 특성들은 약한 불순성 영역에서도 유지되며, 이는 2차원 NbSe2에서 다중분형과 초전도성의 공존 가능성을 보여준다.