[论文解读] Finite bias dependent evolution of superconductor-insulator transition in nanodiamond films

Davie Mtsuko, Miloš Nesládek+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究探讨了有限偏置电流对硼掺杂纳米晶 diamond（BNCD）薄膜中超导-绝缘体相变（SIT）的影响，发现偏置电流会抑制玻色绝缘体峰，且电阻遵循普遍规律 R ∝ I^−0.94 至 −0.96。接近 η ≈ −1 的标度行为表明，在量子临界点附近存在非平衡 Kondo 类效应，其驱动力源于晶粒边界处库仑排斥能（U）与隧穿耦合（Γ）之间的相互作用，而该作用受涡旋诱导磁区的影响。

ABSTRACT

The effect of finite bias current on the evolution of the metal-bosonic insulator-superconductor phase transition is systematically investigated in heavily boron doped nanocrystalline diamond (BNCD) films of various grain size. The shape of the resistivity-temperature curves near the critical temperature (TC) is seen to be strongly influenced by both magnetic field and bias current. It is seen that as the bias current is lowered the so-called bosonic insulator peak in the vicinity of TC becomes more pronounced whereas when the magnetic field is varied the peak shifts towards the low temperature range. The log-log plots of peak resistance versus bias current showing a universal linear scaling with exponent \b{eta}~ -0.94, -0.96 are found to be correlated with the linear variation of bosonic peak resistance with the magnetic field measured at low bias current. The \b{eta} ~ -1 implies a non-equilibrium Kondo-like effect near the quantum critical phase transition. The bias current dependence can be understood as an interplay between the Coulomb repulsive energy (U) and tunnel coupling ({\Gamma}) between diamond grains or intra-grain superconducting regions separated by magnetic regions that result from external flux penetration induced vortices. The anomalous peak in the R(T) and magnetoresistance data as well as the coherence peaks in differential conductance vs. I plots can be attributed to regions within charge-Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) and vortex-BKT transitions.

研究动机与目标

• 理解有限偏置电流如何影响高度硼掺杂纳米晶 diamond（BNCD）薄膜中超导-绝缘体相变（SIT）的演化。
• 研究 diamond 晶粒之间以及晶粒内部超导区域之间的库仑排斥能（U）与隧穿耦合（Γ）之间的相互作用。
• 考察外加磁场及涡旋诱导磁区在电阻-温度（R(T)）曲线中对玻色绝缘体峰位置移动的影响。
• 确定观测到的电阻与偏置电流的标度行为是否反映与量子临界性相关的普遍行为。

提出的方法

• 在不同偏置电流和磁场条件下，系统测量 BNCD 薄膜的电阻-温度（R(T)）曲线。
• 对峰值电阻与偏置电流进行对数-对数分析，以提取标度指数 η，揭示普遍行为。
• 在低偏置电流下，将峰值电阻与磁场相关联，以验证标度一致性的可靠性。
• 利用微分电导与电流的关系（dI/dV vs. I）识别与 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）相变相关的相干峰。
• 分析磁阻数据，将涡旋渗透与磁区形成关联到峰值位移。
• 基于晶粒边界处 U（库仑能）与 Γ（隧穿耦合）之间的相互作用，进行理论解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 BNCD 薄膜中，有限偏置电流如何影响 R(T) 曲线在 T_C 附近的玻色绝缘体峰的形状与位置？
• RQ2 峰值电阻相对于偏置电流的标度行为如何？该行为在不同晶粒尺寸下是否表现出普遍性？
• RQ3 施加磁场如何影响玻色绝缘体峰的温度位置？
• RQ4 观测到的电阻与偏置电流之间 η ≈ −0.94 至 −0.96 的标度行为背后的物理机制是什么？
• RQ5 R(T)、磁阻及微分电导中的异常特征如何与 BKT 类相变相关联？

主要发现

• 随着偏置电流降低，R(T) 曲线中的玻色绝缘体峰变得更加显著，表明在较高电流下超导相干性被抑制。
• 施加磁场使玻色绝缘体峰向较低温度移动，表明涡旋诱导的磁区扰动了局域超导序。
• 峰值电阻与偏置电流的对数-对数图显示，标度指数 η ≈ −0.94 至 −0.96 的普遍线性关系，表明接近 η ≈ −1 的行为。
• η ≈ −1 的标度行为被解释为 SIT 量子临界点附近非平衡 Kondo 类效应的特征。
• 在低偏置电流下，电阻与磁场呈线性相关，支持所观测标度行为的普遍性。
• R(T)、磁阻及微分电导中的异常特征归因于无序晶粒网络中的电荷-BKT 与涡旋-BKT 相变。