[논문 리뷰] Vortex state microwave response in superconducting cuprates and MgB$_2$

Enrico Silva, Nicola Pompeo외 2명|arXiv (Cornell University)|2006. 07. 26.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 공명 공진기 및 스위프 주파수 코르비노 디스크 기법을 사용하여 비스코어 상태에서 YBa₂Cu₃O₇₋δ, SmBa₂Cu₃O₇₋δ 및 MgB₂의 마이크로파 반응을 조사한다. 이는 이전에 간과되었던 준입자 기여가 특히 이중밴드(MgB₂) 및 d-파동(구프레이트) 초전도체에서 자기장 및 주파수 의존성 마이크로파 반응에 중대한 영향을 미친다는 것을 보여주며, 이는 비보편적인 비스코어 viscoity 및 자기장 의존성 초전도 밀도를 초래한다.

ABSTRACT

We investigate the physics of the microwave response in YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{7-δ}$, SmBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{7-δ}$ and MgB$_{2}$ in the vortex state. We first recall the theoretical basics of vortex-state microwave response in the London limit. We then present a wide set of measurements of the field, temperature, and frequency dependences of the vortex state microwave complex resistivity in superconducting thin films, measured by a resonant cavity and by swept-frequency Corbino disk. The combination of these techniques allows for a comprehensive description of the microwave response in the vortex state in these innovative superconductors. In all materials investigated we show that flux motion alone cannot take into account all the observed experimental features, neither in the frequency nor in the field dependence. The discrepancy can be resolved by considering the (usually neglected) contribution of quasiparticles to the response in the vortex state. The peculiar, albeit different, physics of the superconducting materials here considered, namely two-band superconductivity in MgB$_{2}$ and superconducting gap with lines of nodes in cuprates, give rise to a substantially increased contribution of quasiparticles to the field-dependent microwave response. With careful combined analysis of the data it is possible to extract or infer many interesting quantities related to the vortex state, such as the temperature-dependent characteristic vortex frequency and vortex viscosity, the field dependence of the quasiparticle density, the temperature dependence of the $σ$-band superfluid density in MgB$_{2}$

연구 동기 및 목표

• 비정상 초전도체(구프레이트 및 MgB₂)의 비스코어 상태에서 전통적인 비스코어 운동 모델을 초월한 마이크로파 반응을 이해하기 위해.
• 비스코어 운동만으로는 설명할 수 없는 자기장 및 주파수 의존성 마이크로파 저항도의 모순을 해결하기 위해.
• 노드 갭을 가진 물질(구프레이트) 또는 이중밴드 초전도성(예: MgB₂)에서 준입자의 역할을 정량화하기 위해.
• 온도 및 자기장 의존성 비스코어 매개변수, 예를 들어 비스코어 점성, 탈착 주파수, 초전도 밀도를 추출하기 위해.
• 이중밴드 초전도체(MgB₂)에서 스위프 주파수 데이터에 대해 자기 일관성 있는 피팅 절차를 수립하기 위해.

제안 방법

• YBCO, SmBCO 및 MgB₂의 박막에서 복소 마이크로파 저항도를 측정하기 위해 공명 공진기 및 스위프 주파수 코르비노 디스크 기법을 사용하였다.
• 비스코어 운동을 모델링하기 위해 복소 저항도 방정식의 일반형식(Eq. 1.2)을 사용하였으며, 플럭스 플로우 저항도 및 탈착 주파수를 포함하였다.
• ρ₁/ρₙ 및 ρ₂/ρₙ 데이터로부터 νs(B,T), λ(B,T), δnf(B,T)를 추출하기 위해 자기 일관성 있는 피팅 절차를 적용하였으며, 고주파수 근사에서 r₁(ν)을 제약 조건으로 사용하였다.
• Eq. (LABEL:genform)을 역으로 적용하여 다양한 자기장 및 온도에서 r₁(ν,B,T) 및 r₂(ν,B,T)를 결정하였으며, 순수한 비스코어 운동 저항도를 분리하는 데에 기여하였다.
• 추출된 ρv(ν)를 비스코어 운동 방정식 모델에 피팅하여 비스코어 점성 η 및 탈착 주파수 νp를 추출하였다.
• 초전도 밀도 및 준입자 밀도의 온도 및 자기장 의존성을 분석하였으며, 이는 MgB₂의 이중밴드 또는 구프레이트의 d-파동 노드와 같은 물질 특성 물리학과 연결되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 구프레이트 및 MgB₂에서의 실험적 마이크로파 반응이 비스코어 운동 기반 예측과 다를까?
• RQ2 비스코어 핵 내 준입자 기여가 마이크로파 저항도의 자기장 및 주파수 의존성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 이 물질들에서의 비스코어 점성은 전통적인 초전도체와 비교해 어떻게 다른가? 이는 비스코어 역학에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ4 구프레이트 및 MgB₂에서 자기장 의존성 초전도 밀도의 기원은 무엇이며, 이는 전통적인 초전도체와 어떻게 다를까?
• RQ5 자기 일관성 있는 피팅 절차는 MgB₂와 같은 이중밴드 초전도체에서 비스코어 매개변수를 정확하게 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 구프레이트 및 MgB₂에서의 마이크로파 반응은 비스코어 운동만으로는 완전히 설명될 수 없으며, 자기장 및 주파수 의존성에 기여하기 위해 준입자 효과가 필수적이다.
• 비스코어 점성 η는 보편적이지 않으며 샘플에 따라 달라지며, YBCO 및 SmBCO에서 스케일링된 후 단일 곡선에 포개져 공통된 전자 기반 메커니즘이 있음을 시사한다.
• 탈착 주파수 νp는 강한 샘플 의존성을 보이며, 이는 페인팅이 외재적임을 확인하며 비스코어 역학만으로는 보편적으로 기술할 수 없음을 시사한다.
• 구프레이트에서는 초전도 밀도가 외부 자기장에 의해 준입자 산란으로 인해 크게 감소하며, 비스코어 핵 효과만으로는 설명되지 않는다.
• MgB₂에서는 저자기장 마이크로파 반응이 여전히 잘 이해되지 않으며, σ-밴드 및 π-밴드가 동시에 활성화된 상태에서 비스코어 역학에 대해 합의된 이론이 없다.
• 자기 일관성 있는 피팅 절차는 MgB₂에서 νs(B,T), λ(B,T), δnf(B,T)를 성공적으로 추출하였으며, 이는 비스코어 운동 저항도의 정확한 분리 및 η 및 νp의 추출을 가능하게 하였다.