[论文解读] Current-Induced Superconductor-Insulator Transition in Granular High-T_c Superconductors

Y. Kopelevich, C. A. M. dos Santos+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2001

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

本研究展示了在颗粒状高Tc超导体中，由约瑟夫森界面涡旋动力学驱动的电流诱导超导-绝缘量子相变。通过在不同电流和磁场下进行电阻率和I-V测量，作者识别出一个临界电流I_c(H)，该电流触发了从超导态到绝缘态的转变，电阻数据的标度坍缩证实了该转变与场调制的超导-绝缘相变类似，为零温量子相变。

ABSTRACT

In this work we report a systematic study of electrical current effects on superconducting properties of granular Y$_{1-x}$Pr$_{x}$Ba$_{2}$Cu$_{3}$O$_{7-δ}$ samples with x close to the critical Pr concentration above which the superconductivity vanishes. The results indicate the occurrence of superconductor-insulator quantum phase transition (SIT) driven by the applied electrical current, and suggest that the current-induced SIT can be considered as the dynamical counterpart of the magnetic-field- tuned SIT.

研究动机与目标

• 研究电流传导在颗粒状高Tc超导体中驱动超导态到绝缘态量子相变中的作用。
• 确定约瑟夫森界面涡旋动力学是否在施加电流下主导该相变过程。
• 检验假设：电流诱导的相变是众所周知的场调制超导-绝缘相变的动力学对应物。
• 利用电阻数据的有限温度标度分析，研究相变点附近的临界行为。
• 将电流驱动相变的临界指数与场调制相变的临界指数进行比较，以验证一致性。

提出的方法

• 在Y1-xPrxBa2Cu3O7-δ（x=0.45）薄膜上进行了电阻率和四探针直流输运测量，施加电流最高达100 mA，磁场最高达100 Oe。
• 通过幂律方程V = c(T,H)(I - I_th(T,H))^n(T,H)分析低电流I-V特性，其中I_th为涡旋运动的阈值电流。
• 应用标度分析，将电阻R = V/I关于标度变量|δ|/T^{1/α}进行分析，其中δ = I - I_c(H)，以检验是否存在普遍临界行为。
• 通过I_c处dR/dI的对数-对数图与T^{-1}的关系提取临界指数α，并利用数据坍缩验证标度假设。
• 分析假设采用硬核任意子模型，超导序参量幅度Ψ₀在T_c0处保持恒定，表明相位涨落占主导地位。
• 在不同磁场下重复测量，以绘制I_c(H)曲线，并与场调制相变行为进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 施加的电流传导是否在颗粒状高Tc超导体中诱导了超导-绝缘量子相变？
• RQ2 约瑟夫森界面涡旋动力学在介导电流诱导相变中起什么作用？
• RQ3 电流驱动相变是否可用与场调制相变相同的有限温度标度定律来描述？
• RQ4 电流诱导相变的临界指数是否与场调制相变的临界指数一致？
• RQ5 阈值电流I_c(H)是由涡旋去钉扎决定，还是由本征约瑟夫森耦合决定？

主要发现

• 超导转变温度T_c0 = 33 K在施加电流或磁场下保持不变，表明该相变并非由序参量幅度的变化引起。
• 在4.6 K时观察到阈值电流I_th ≈ 5 mA，I-V特性可用幂律指数n ≈ 3良好描述，表明涡旋流动动力学占主导。
• 临界电流I_c(H)随磁场增加而减小，在H = 2.85 Oe时I_c = 16.2 mA，在H = 9.5 Oe时I_c = 7 mA，与涡旋去局域化一致。
• 利用标度变量|δ|/T^{1/α}将电阻数据在I < I_c和I > I_c两个分支上实现标度坍缩，证实了在零温下存在普遍量子相变。
• 提取的临界指数α ≈ 1.84、1.72和1.3，分别对应H = 2.85、5.7和9.5 Oe，与类似体系中场调制相变的值良好一致。
• 结果支持存在一种零温下由电流驱动的约瑟夫森涡旋去钉扎相变，其行为与场调制相变类似，电流作为控制参数。