[論文レビュー] Onset of superconductor-insulator transition in an ultrathin NbN film under in-plane magnetic field studied by terahertz spectroscopy

M. Šindler, F. Kadlec+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 32被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、5.3 nm 厚のNbN膜に平行磁場を印加した状態で、テラヘルツ時間領域分光法を用いて超伝導体-絶縁体転移（SIT）を調査した。マクスウェル＝ガーネット有効媒体理論とヘルマン＝フラビナの光学的伝導度モデルを組み合わせることで、磁場が対破壊を引き起こし、正常状態のマトリックス中に超伝導ドメインを有する不均一状態を誘導することを示した。散乱率は磁場に比例して増加し、SITの始まりに近い領域で対破壊が支配的メカニズムであることを確認した。

ABSTRACT

Optical conductivity of a moderately disordered superconducting NbN film was investigated by terahertz time-domain spectroscopy in external magnetic field applied along the film plane. The film thickness of about 5 nm was comparable with the coherence length, so vortices should not form. This was confirmed by the fact that no marked difference between the spectra with terahertz electric field set perpendicular and parallel to the external magnetic field was observed. Simultaneous use of Maxwell-Garnett effective medium theory and the model of optical conductivity by Herman and Hlubina proved to correctly reproduce the terahertz spectra obtained experimentally in a magnetic field of up to 7 T. This let us conclude that the magnetic field tends to suppress the superconductivity, resulting in an inhomogeneous state where superconducting domains are enclosed within a normal-state matrix. The scattering rate due to pair-breaking effects was found to linearly increase with magnetic field.

研究の動機と目的

• 平行磁場下における超薄膜NbN膜の超伝導体-絶縁体転移（SIT）の始まりを調査すること。
• 2次元的超薄膜超伝導体膜における超伝導の抑制に寄与する対破壊メカニズムの役割を特定すること。
• テラヘルツ分光法を用いて磁場によって誘導される電子的不均一性を特徴付けること。
• 実験データと照らし合わせて、マクスウェル＝ガーネット有効媒体理論とヘリマン＝フラビナ光学的伝導度モデルを組み合わせた理論モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 3 Kで7 Tまでの磁場下において、5.3 nmのNbN膜の複素光学的伝導度を測定するためにテラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）が用いられた。
• 異方性を評価するために、2つの実験幾何配置が採用された：テラヘルツ電場が平行（E∥）および垂直（E⊥）に配置された磁場に対して。
• 複素伝導度 ˜σ(ν) は2つの方法で抽出された：(1) サブストレートの屈折率と位相差を含む式（1）による直接フィッティング、および (2) 正常状態の伝導度を基準として用いた式（3）による比値評価。
• マクスウェル＝ガーネット有効媒体モデルを用いて、正常状態マトリックス中に超伝導ドメインを有する不均一超伝導状態を記述した。
• ヘリマン＝フラビナの光学的伝導度モデルを用いて、対破壊効果を組み込んだ超伝導成分を記述した。
• 理論的フィッティングを実験スペクトルと比較することで、モデルの妥当性を検証し、磁場依存の散乱率を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平行磁場が、超伝導体-絶縁体転移に近い領域における超薄膜NbN膜の光学的伝導度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 5.3 nmのNbN膜で渦の形成がない状態において、平行磁場下での超伝導の観察された抑制の原因は何か？
• RQ3 平行磁場が電子的不均一性をどの程度誘導するか、そしてその影響がテラヘルツスペクトルにどのように反映されるか？
• RQ4 マクスウェル＝ガーネット有効媒体理論とヘリマン＝フラビナモデルの組み合わせが、変化する磁場下での実験的テラヘルツスペクトルを正確に再現できるか？

主な発見

• E∥とE⊥の偏光状態間に顕著な差は認められず、膜厚がコherence長と同等であるため、渦の形成がないことが確認された。
• 磁場は対破壊を介して超伝導を抑制し、正常状態のマトリックス中に超伝導ドメインを有する不均一状態を誘導した。
• 対破壊に起因する散乱率は磁場に比例して増加し、データのフィッティングにより比例関係が裏付けられた。
• マクスウェル＝ガーネット有効媒体理論とヘリマン＝フラビナモデルの組み合わせは、7 Tまでの実験的テラヘルツスペクトルを良好に再現した。
• ドレーディモデルは、散乱時間 τn = (15 ± 8) fs として、正常状態の伝導度を正確に記述しており、中程度の不純度を示している。
• 臨界温度 Tc = 13.9 K が測定され、厚膜のNbN膜と比較してわずかに低く、超薄膜における不純度効果の増強と整合的であった。