[論文レビュー] Spectroscopic evidence for strong correlations between local resistance and superconducting gap in ultrathin NbN films

C. Carbillet, V. Cherkez+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本研究では走査トンネル分光法を用いて、超薄膜NbNにおける局所的超伝導ギャップ不均一性がフェルミ粒子的効果に起因することを示した。局所的電子間相互作用により局所的抵抗率が上昇し、Altshuler-Aronov効果によって局所的状態密度（LDOS）が抑制される。この局所的抵抗率の変動が、局所的Finkelstein機構を通じてギャップ抑制を引き起こし、ボゾニックな擬似ギャップ特徴を必要としない、定量的で完全にフェルミ粒子的である説明を提供する。

ABSTRACT

Disorder has different profound effects on superconducting thin films. For a large variety of materials, increasing disorder reduces electronic screening which enhances electron-electron repulsion. These fermionic effects lead to a mechanism described by Finkelstein: when disorder combined to electron-electron interactions increases, there is a global decrease of the superconducting energy gap $\Delta$ and of the critical temperature $T_c$, the ratio $\Delta$/$k_BT_c$ remaining roughly constant. In addition, in most films an emergent granularity develops with increasing disorder and results in the formation of inhomogeneous superconducting puddles. These gap inhomogeneities are usually accompanied by the development of bosonic features: a pseudogap develops above the critical temperature $T_c$ and the energy gap $\Delta$ starts decoupling from $T_c$. Thus the mechanism(s) driving the appearance of these gap inhomogeneities could result from a complicated interplay between fermionic and bosonic effects. By studying the local electronic properties of a NbN film with scanning tunneling spectroscopy (STS) we show that the inhomogeneous spatial distribution of $\Delta$ is locally strongly correlated to a large depletion in the local density of states (LDOS) around the Fermi level, associated to the Altshuler-Aronov effect induced by strong electronic interactions. By modelling quantitatively the measured LDOS suppression, we show that the latter can be interpreted as local variations of the film resistivity. This local change in resistivity leads to a local variation of $\Delta$ through a local Finkelstein mechanism. Our analysis furnishes a purely fermionic scenario explaining quantitatively the emergent superconducting inhomogeneities, while the precise origin of the latter remained unclear up to now.

研究の動機と目的

• 不純物を含む超薄膜NbNにおける空間的に不均一な超伝導ギャップの起源を理解すること。
• フェルミ粒子的効果、特に電子間相互作用および局所的抵抗率が観測されたギャップ不均一性を説明できるかどうかを特定すること。
• 強い電子的相互作用に起因するAltshuler-Aronov効果が、ギャップ抑制と相関する測定可能なLDOS抑制を引き起こすかどうかを検証すること。
• 抵抗率の変動が超伝導ギャップをどのように局所的に調節するかを、ボゾニックな擬似ギャップ現象とは独立して、定量的かつ局所的な記述で提示すること。

提案手法

• 走査トンネル分光法（STS）を用いて、超薄膜NbN上での局所的電子的性質、特に超伝導ギャップΔおよび局所的状態密度（LDOS）をマッピングした。
• フェルミ準位近傍での測定されたLDOS抑制を定量的にモデル化し、局所的抵抗率の変動を抽出した。
• 不規則系における強い電子間相互作用のFinkelstein理論を局所的に適用し、抵抗率の上昇がΔの低下に結びつくことを結びつけた。
• 局所的抵抗率がLDOS抑制と強く相関しており、強相関電子系におけるAltshuler-Aronov効果と整合的であることが示された。
• 測定されたLDOS抑制と予測された抵抗率に起因する効果との定量的比較により、ギャップ不均一性のフェルミ粒子的起源が確認された。
• ボゾニック寄与を除外するために、ギャップ下の特徴およびTc未満の局所的変動に焦点を当て、フェルミ粒子的メカニズムを孤立させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子間相互作用によって駆動される局所的抵抗率の変動が、超薄膜NbNにおける空間的不均一性を示す超伝導ギャップΔとどの程度相関しているか。
• RQ2 フェルミ準位近傍での観測された局所的状態密度（LDOS）の抑制が、強い電子相関に起因するAltshuler-Aronov効果によって定量的に説明可能か。
• RQ3 局所的Finkelstein機構（局所的抵抗率の上昇がΔを抑制する）が、ボゾニックな擬似ギャップ特徴を導入しないで、観測されたギャップ不均一性を十分に説明できるか。
• RQ4 局所的電子的性質、たとえばLDOSとΔがどのように共変化するか、そしてこれによりギャップ抑制の支配的マイクロスコピックメカニズムに何が示唆されるか。

主な発見

• NbN膜における局所的抵抗率の変動が、Altshuler-Aronov効果が予測するように、フェルミ準位近傍での局所的状態密度（LDOS）抑制と直接相関していた。
• 測定されたLDOS抑制が、局所的電子間相互作用に基づく理論的予測と定量的に一致し、強い相関に起因するものであることが確認された。
• 超伝導ギャップΔの空間的不均一性が、局所的抵抗率の上昇と強く相関しており、局所的Finkelstein機構の妥当性が支持された。
• 本研究は、ボゾニックな擬似ギャップメカニズムを必要としない、完全にフェルミ粒子的である超伝導不均一性の説明を提供した。
• Δ/kBTcの比が膜全体で概ね一定であり、局所的Δの変動にもかかわらずFinkelstein機構に整合的であることが示された。
• Tc未満で局所スペクトルにボゾニック的擬似ギャップが観測されなかったことから、ギャップ不均一性を駆動するフェルミ粒子的効果の優位性が裏付けられた。