[论文解读] Charge Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition in superconducting NbTiN films

A. Yu. Mironov, D. M. Silevitch+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2017

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 22被引用 8

一句话总结

本研究首次在超导NbTiN薄膜中实验观测到电荷Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）相变，其特征为超导-绝缘相变绝缘侧的临界电阻行为。该相变表现出非单调的磁场依赖性：临界温度在低场区域迅速上升并达到峰值，证实了由对数电荷相互作用驱动的有限温度超绝缘态的存在，且静电屏蔽效应发散。

ABSTRACT

A half-century after the discovery of the superconductor-insulator transition (SIT), one of the fundamental predictions of the theory, the charge Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) transition that is expected to occur at the insulating side of the SIT, has remained unobserved. The charge BKT transition is a phenomenon dual to the vortex BKT transition, which is at the heart of the very existence of two-dimensional superconductivity as a zero-resistance state appearing at finite temperatures. The dual picture points to the possibility of the existence of a superinsulating state endowed with zero conductance at finite temperature. Here, we report the observation of the charge BKT transition on the insulating side of the SIT, identified by the critical behavior of the resistance. We find that the critical temperature of the charge BKT transition depends on the magnetic field exhibiting first the fast growth and then passing through the maximum at fields much less than the upper critical field. Finally, we ascertain the effects of the finite electrostatic screening length and its divergence at the magnetic field-tuned approach to the superconductor-insulator transition.

研究动机与目标

• 在超导-绝缘相变（SIT）的绝缘侧实验观测到迄今尚未被观测到的电荷Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）相变，其为超导体中涡旋BKT相变的双重对应态。
• 研究临界温度 $ T_{\rm\scriptscriptstyle CBKT} $ 随外加磁场的变化行为，以检验理论预测的非单调依赖关系。
• 探究二维超导薄膜在量子临界点附近电介质常数发散与静电屏蔽长度的作用。
• 确立NbTiN作为稳定平台，用于观测超绝缘态中的临界现象，因其相较于纯TiN或NbN薄膜具有更高的 $ T_c $ 和更好的稳定性。

提出的方法

• 采用反应磁控溅射法在蓝宝石衬底上外延生长10–20 nm厚的NbTiN薄膜，使用AlN缓冲层，通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和电子衍射确认其结构。
• 利用X射线衍射和Vegard定律测定晶格参数，确认固溶体形成，其中NbN在NbTiN中的组分为 $ x = 0.7 \pm 0.02 $。
• 制备10电极电阻条（50 μm宽，100–250 μm探针间距），用于四探针和两探针电阻率测量，实现超导与绝缘区域中电阻的精确提取。
• 采用氦稀释制冷机与SR830锁相放大器进行低温下的精确电阻测量，并使用低噪声前置放大器以应对高电阻区域。
• 在线性响应区使用两探针与四探针技术，通过高温标定交叉确定面电阻。
• 分析 $ R(T) $ 与 $ R(B) $ 数据以识别临界行为并提取 $ T_{\rm\scriptscriptstyle CBKT} $，采用基于对数电荷相互作用与屏蔽长度 $ \Lambda \sim \varepsilon d $ 的理论模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NbTiN薄膜中，电荷BKT相变是否在SIT的绝缘侧表现为临界电阻发散？
• RQ2 电荷BKT相变的临界温度 $ T_{\rm\scriptscriptstyle CBKT} $ 如何随外加磁场演化？
• RQ3 静电屏蔽长度 $ \Lambda $ 在量子临界点附近介导电荷BKT相变中起何作用？
• RQ4 在高温、稳定的超导薄膜体系中，能否实验验证涡旋-电荷对偶性的双重图像？
• RQ5 在有限温度下具有零电导率的超绝缘态是否可在NbTiN薄膜中实现并可测量？

主要发现

• 通过临界电阻行为，在NbTiN薄膜的超导-绝缘相变绝缘侧首次实验观测到电荷Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）相变。
• 电荷BKT相变的临界温度 $ T_{\rm\scriptscriptstyle CBKT} $ 在低磁场区域随磁场迅速升高，随后达到峰值并下降，表明其磁场依赖性为非单调。
• 在远小于上临界场 $ B_{c2}(0) $ 的磁场下，$ T_{\rm\scriptscriptstyle CBKT} $ 达到最大值，与量子临界点附近介电常数发散的理论预测一致。
• 静电屏蔽长度 $ \Lambda \sim \varepsilon d $ 在磁场调控的量子临界点发散，证实了介电常数发散在实现超绝缘态中的关键作用。
• 15 nm与20 nm厚的NbTiN薄膜分别表现出 $ T_c = 3.35 \, \text{K} $ 与 $ 4.27 \, \text{K} $，$ B_{c2}(0) = 10.5 \, \text{T} $ 与 $ 12 \, \text{T} $，表明其具有增强的超导稳定性，有利于临界现象的观测。
• 10 nm厚薄膜的载流子浓度测量值为 $ n = 4.7 \times 10^{21} \, \text{cm}^{-3} $，支持该体系的二维特性及其与二维库仑相互作用的相关性。