[論文レビュー] The Ground-state Inter-plane Superconducting Coherence Length of La$_{1.875}$Sr$_{0.125}$CuO$_4$ Measured by a "Xiometer"

Itay Mangel, Amit Keren|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、超伝導リングに持久的電流を誘発するための長い励磁コイルを用いる新規実験的手法「Xiometer」を導入し、カルキウム酸化物系超伝導体における基底状態の面間コherence長 ξc を直接測定することを可能にする。ラニウムドープ酸化物系のLa1.875Sr0.125CuO4に適用した結果、T → 0 Kでξc = 1.3 ± 0.1 nmが得られ、3次元的Cooper対の存在を示唆するが、これは従来のHc2外挿法と整合的である一方、これまでの高次元的で準2次元的対称性の仮定に疑問を呈する。

ABSTRACT

A long excitation coil piercing a superconducting (SC) ring is used to generate ever increasing persistent current in the ring, until the current destroys the order parameter. Given that the penetration depth $λ$ is known, this experiment measures, hypothetically, the coherence length $ξ$, hence the name "Xiometer". We examine various aspects of this theoretically driven hypothesis by testing niobium rings with different dimensions, and by comparing the results to the known values of $ξ$. We then apply the method to two La$_{1.875}$Sr$_{0.125}$CuO$_4$ rings at $T ightarrow 0$. In one, the current flows in the CuO$_2$ planes hence it is set by $ξ_{ab}$. In the other, the current must cross planes and is determined by $ξ_{c}$. We find that $ξ_{c}=1.3 \pm 0.1$~nm, and $ξ_{ab}<2.3~$nm indicating that at low temperatures the Cooper pairs are three dimensional.

研究の動機と目的

• バルク超伝導体における超伝導Coherence長 ξ、特に測定が困難なc方向の測定を目的とした新規実験的手法の開発と検証。
• 既知の ξ と λ を有するニオブiumリングを用いて、Xiometerの理論的枠組みを検証する。
• 低温（T = 1.6 K）における高次元的カーブス酸化物系La1.875Sr0.125CuO4にXiometerを適用し、ξc と ξab を測定する。
• LSCO-1/8におけるCooper対が3次元的か、それとも高次元的であるかを特定し、カーブス超伝導体における主要な未解決問題を解消する。
• Hc2外挿法の不確実性を避けるために、T → 0 Kにおけるξc の直接的かつ実験的に検証された測定を提供する。

提案手法

• Xiometerは、超伝導リングを貫く長尺な超伝導性励磁コイル（EC）を用い、調整可能な磁束を生成し、持久的電流を誘発する。
• SQUID勾配計を用いて、EC電流の関数としてリングの磁気モーメントを測定し、超伝導秩序パラメータが破壊される臨界電流 Ic を特定する。
• 臨界磁束 Φc は、磁気モーメントが線形性を失い始める点として特定され、これはバリオンの進入と秩序パラメータの抑制を示唆する。
• この手法は、ギンツブルグ＝ランドウ理論から導かれる関係式 Φc ∝ (λξ) r_out² に依存しており、λ は浸透深度、ξ はCoherence長を表す。
• 高さ h ≥ r_out を満たすリングでは、外径 r_out が臨界磁束に支配的となり、解析は r_out と λξ の積にのみ依存するよう簡略化される。
• 本手法は、λ = 38 nm、ξ = 39 nm が既知のニオブiumリングを用いて最初に検証され、理論値および文献値と良好に一致した。

Figure 1: Experimental setup: (a) A niobium ring on a SC excitation coil (photo), an illustration of the gradiometer, and the external coil that serves as a shim. (b) Niobium rings with different inner radii (up), outer radii (middle), and different height (down).

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Xiometer法は、λ と ξ が既知の超伝導体において、基底状態のCoherence長 ξ を信頼性高く測定できるか？
• RQ2 T → 0 KにおけるLa1.875Sr0.125CuO4の面間Coherence長 ξc は何か？ また、ξab と比較するとどうなるか？
• RQ3 LSCO-1/8におけるCooper対は、比 ξc/ξab が示唆するように3次元的か、それとも高次元的であるか？
• RQ4 Xiometerの結果は、特にフラックス圧縮から得られた論争のあった 0.86 nm のHc2外挿値と整合的か？
• RQ5 Xiometerは、高温外挿法に依存せずに、カーブス超伝導体におけるCooper対の次元性という根本的問題を解消できるか？

主な発見

• ニオブiumリングを用いた検証において、測定された λξ = 1267 ± 32.5 nm² が得られ、文献値の 1482 nm² に近い値であり、手法の信頼性が確認された。
• LSCO-1/8のaリングでは、電流が主にc方向に流れるため、2.2 A の臨界電流が観測され、超伝導電流の流れが途切れたことが示された。
• λc = 4500 nm とaリングからの臨界磁束を用いて、T = 1.6 Kにおける面間Coherence長は ξc = 1.3 ± 0.1 nm と決定された。
• 同様の手法を用いて、λab = 350 nm と組み合わせることで、ξab < 2.3 nm の上限が確立され、ab面内での対結合も短距離的であることが示された。
• 測定された ξc = 1.3 ± 0.1 nm は、従来報告されたHc2 = 250 Tの外挿値（ξc ≈ 1.3 nm）と良好に一致し、その妥当性を支持する。
• これらの結果は、LSCO-1/8におけるCooper対が従来の高次元的で準2次元的対称性の考えよりも、より3次元的であることを示唆し、ξc ≈ ξab であると結論づける。

Figure 2: Raw data. Main: The squid output voltage $V$ as a function of the relative position $z$ of a Nb ring and coil to the gradiometer center. The EC current is $10.0$ mA, $T=1.6$ K, and the ring dimensions are: $r_{in}=1.0$ mm, $r_{out}=1.75$ mm, and $h=1.0$ mm. Red spheres is the EC signal wit