[論文レビュー] Anomalous high-temperature THz nonlinearity in superconductors near the metal-insulator transition

Dipanjan Chaudhuri, David Barbalas+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、3次元金属-絶縁体転移に近い超伝導体ニオブニトライド（NbN）薄膜における非線形テラヘルツ（THz）応答を調査し、クリーンな試料の臨界温度（Tc）の4倍に達するまで、異常に大きな3次非線形感受率χ⁽³⁾が持続することを明らかにした。この効果は、局在化によって引き起こされる不純度に起因する超伝導相関の増強に起因し、長距離秩序が欠如する状態でも、有限周波数のTHz非線形分光法が超伝導秩序を検出可能であることを示している。

ABSTRACT

The interplay of strong disorder and superconductivity is a topic of long-term interest in condensed matter physics. Here we explore the nonlinear THz response of superconducting NbN films close to the 3D metal-insulator transition. For the least disordered samples, the magnitude of the nonlinear $χ^{(3)}$ response follows the temperature dependence of the superfluid density as expected. In contrast, for high disorder samples near the metal-insulator transition the $χ^{(3)}$ nonlinearity persists to temperatures as high as even 4 times the $T_c$ of the cleanest sample. We discuss the possible origins of this remarkably large nonlinearity, including the possibility that it arises in an enhancement of the temperature scales of superconductivity close to localization. Our work highlights the importance of finite frequency nonlinear THz experiments in detecting superconducting correlations even into regions where long-range ordered superconductivity does not persist.

研究の動機と目的

• NbN薄膜における3次元金属-絶縁体転移（MIT）に近い領域における超伝導性と強い不純度の相乗作用を調査すること。
• 長距離秩序が欠如する絶縁相においても、超伝導相関が持続するかどうかを調査すること。
• 従来のプローブが失敗する不純度を含む系において、有限周波数THz非線形分光法が超伝導秩序を検出可能かどうかを特定すること。
• 高不純度超伝導薄膜における高温度域で顕著な非線形応答χ⁽³⁾の起源を解明すること。

提案手法

• 2パルス相互相関法を用いて非線形THz応答を測定し、2つの強度の高いTHzパルス（EA, EB）およびそれらの合成場（EAB）に対する透過場を記録する。
• 非線形応答をE_NL = EAB - EA - EBとして抽出し、3次非線形感受率χ⁽³⁾を分離する。
• 時間領域THz分光法を用いて、光学的導電率の実部および虚部を測定し、正規化状態応答に合わせる。
• さまざまな不純度レベルおよび臨界温度（Tc：6.2 K ～ 15.9 K）を有するNbN薄膜の系列において、χ⁽³⁾の温度依存性を分析する。
• 非放物型電子バンド構造（E(k) = ħ²k²/2m* - βk⁴）に基づく理論モデルと実験データを比較し、運動量緩和率（γm）によるχ⁽³⁾のドレーブ型抑制を予測する。
• 2コイル構成を用いた相互インダクタンス測定により、誘導電圧の実部および虚部における臨界温度の特徴を独立にTcとして特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属-絶縁体転移に近い高不純度NbN薄膜において、3次非線形感受率χ⁽³⁾は、臨界温度（Tc）よりも著しく高い温度域でも持続するか？
• RQ2 絶縁相における高温度域で観測された異常な大きなχ⁽³⁾応答の起源は何か？また、クリーンな超伝導体とはどのように異なるか？
• RQ3 長距離秩序やマクロな位相相関が欠如する状態においても、有限周波数THz非線形分光法が超伝導相関を検出可能か？
• RQ4 電子バンド構造の非放物型性は、高不純度超伝導体におけるχ⁽³⁾の大きさおよび温度依存性にどのように影響するか？
• RQ5 不純度は、超伝導相関の有効エネルギースケールをどれほど増大させ、Tcを超えて持続的な非線形応答を引き起こすか？

主な発見

• クリーンなNbN薄膜では、χ⁽³⁾は超伝導流体密度の温度依存性と一致し、従来のBCS型の挙動に従う。
• 金属-絶縁体転移に近い高不純度薄膜では、χ⁽³⁾は依然として大きく、クリーンな試料のTcの4倍に達するまで持続し、絶縁相においても頑健な超伝導相関が存在することを示している。
• 非線形応答は、運動量緩和（γm）によって強く抑制され、非放物型バンドモデルの予測と一致しており、電子の動的挙動がχ⁽³⁾を制限する役割を果たしていることが確認された。
• 観測された高温度非線形性は、標準的なドレーブ型モデルやプラズマ効果では説明できず、局在化に近い領域における相関の増強に起因する別個の起源を持つことが示唆された。
• 輸送測定により、すべての金属的試料で相互インダクタンス法により明確なTcの特徴が確認され、絶縁的試料では転移が観測されず、マクロな超伝導性の欠如と整合的であった。
• 本結果は、従来のプローブが失敗する不純度を含む系においても、THz非線形分光法が超伝導秩序を検出可能な強力なプローブであることを示している。