[論文レビュー] The Berezinskii-Kosterlitz-Thouless Transition and Anomalous Metallic Phase in a Hybrid Josephson Junction Array

C. G. L. Bøttcher, Fabrizio Nichele+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、トップゲートで調整可能な2次元InAs/Alハイブリッドジョセフソン接合アレイにおけるベレジンスキー＝コスターリッツ＝トゥース（BKT）転移と異常金属（M*）相を調査する。BKT転移温度T_BKTが超伝導体からM*への境界で消えることから、M*では渦-反渦対の結合が不完全であることが示され、M*ではシート抵抗が指数が約1/2のべき乗則に従う磁場依存性を示すことが観測された。これは非BKT的かつ非超伝導的金属的状態と整合的である。

ABSTRACT

We investigate the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) transition in a semiconductor-superconductor two-dimensional Josephson junction array. Tuned by an electrostatic top gate, the system exhibits separate superconducting (S), anomalous metal (M*), and insulating (I) phases, bordered by separatrices of the temperature-dependent of sheet resistance, $R_{s}$. We find that the gate-dependent BKT transition temperature falls to zero at the S-M* boundary, suggesting incomplete vortex-antivortex pairing in the M* phase. In the S phase, $R_{s}$ is roughly proportional to perpendicular magnetic field at the BKT transition, as expected, while in the M* phase $R_{s}$ deviates from its zero-field value as a power-law in field with exponent close to 1/2 at low temperature. An in-plane magnetic field eliminates the M* phase, leaving a small scaling exponent at the S-I boundary, which we interpret as a remnant of the incipient M* phase.

研究の動機と目的

• 2次元ハイブリッドジョセフソン接合アレイにおけるベレジンスキー＝コスターリッツ＝トゥース（BKT）転移と異常金属（M*）相の相乗的相互作用を調査すること。
• ゲート電圧依存性を用いてBKT転移温度とシート抵抗を分析することで、M*相の性質を特定すること。
• 垂直および平行磁場に対する系の応答を調査し、M*相の安定性と起源を解明すること。
• 抵抗等温線のスケーリング解析を用いて、異常金属相が真の金属的状態であるか、超伝導の前身状態であるかを評価すること。

提案手法

• グローバルな静電的トップゲートを用いて超伝導体（S）、異常金属（M*）、絶縁体（I）相にアクセスする。
• 異なるゲート電圧における温度依存シート抵抗R_s(T)を測定し、凹性および飽和挙動を用いて相境界を特定する。
• R_s(T)をBKT形式R_s(T) ∝ 1 / ln(T / T_BKT)にフィットさせ、ゲート電圧依存のT_BKTを抽出する。
• S相およびM*相における垂直磁場B_⊥に対するR_sのべき乗則依存性を測定し、R_s ∝ B_⊥^βから指数βを抽出する。
• 平行磁場を印加してM*相を抑制し、|V_G^{S-I} - V_G| T^{-α}を用いた抵抗等温線のスケーリング解析によりスケーリング指数αを抽出する。
• S-M*、M*-I、S-I境界におけるスケーリング解析を実施し、臨界行動を評価し、小さなα値をM*相の残滓と解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BKT転移温度T_BKTがS-M*境界で消えるか。これはM*相において渦-反渦対の結合が破綻していることを示唆するか？
• RQ2 M*相におけるシート抵抗の磁場依存性は何か。理論的に予測される非BKT的金属的理論が示す指数1/2に近いべき乗則に従うか？
• RQ3 平行磁場が異常金属相の安定性および抵抗等温線のスケーリング行動に与える影響は何か？
• RQ4 S-M*境界で観測された小さなスケーリング指数α ≈ 0.01は、M*相の抑制後でもその残滓と解釈できるか？
• RQ5 R_s ≈ R_QにおけるM*-I境界は、従来の超伝導体-絶縁体転移と整合的か。それとも、進行中のM*行動の残滓を示唆するか？

主な発見

• BKT転移温度T_BKTはS-M*境界で外挿的にゼロに近づき、M*相において渦-反渦対が絶対零度まで結合しないことを示唆している。
• M*相では、シート抵抗R_sが垂直磁場に対してべき乗則に従い、指数β ≈ 0.5を示す。これは非超伝導的金属的状態と整合的である。
• 0.5 Tの平行磁場を印加するとM*相が抑制され、等温線が1点で交差し、スケーリング指数α ≈ 0.10を示す。これはかつてのM*相の残滓と解釈される。
• 平行磁場なしの状態では、S-M*境界におけるスケーリング指数はα = 0.01であり、M*-I境界では低温データを含めるとα = 0.13となる。両者とも従来の転移と予想される値よりも顕著に小さい。
• M*-I境界は温度依存性がほぼ一定であり、R_s ≈ 6 kΩを示す。これは従来の超伝導体-絶縁体転移におけるR_s ≈ R_Qと類似している。
• M*相で観測されたβ ≈ 1/2は、渦-反渦対が形成されているが完全には結合していない理論的図式と整合的であり、結合定数K = 1/πに対応する。