[论文解读] New paradigm for a disordered superconductor in a magnetic field

Anushree Datta, Anurag Banerjee+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 14

一句话总结

本文提出了一种新型范式，用于描述磁场中无序的二维s波超导体，表明无序与磁场共同作用可驱动从具有金属核心的Abrikosov涡旋向具有绝缘核心的约瑟夫森涡旋的相变。超流刚度崩溃的临界场（Hc）与能隙抑制的临界场随无序程度增加而发散，形成赝能隙相，从而解释了实验中观测到的巨大磁阻峰以及零偏置Caroli-de Gennes-Matricon（CdGM）峰的抑制现象。

ABSTRACT

We show that while orbital magnetic field and disorder, acting individually weaken superconductivity, acting together they produce an intriguing evolution of a two-dimensional type-II s-wave superconductor. For weak disorder, the critical field H_c at which the superfluid density collapses is coincident with the field at which the superconducting energy gap gets suppressed. However, with increasing disorder these two fields diverge from each other creating a pseudogap region. The nature of vortices also transform from Abrikosov vortices with a metallic core for weak disorder to Josephson vortices with gapped and insulating cores for higher disorder. Our results naturally explain two outstanding puzzles: (1) the gigantic magnetoresistance peak observed as a function of magnetic field in thin disordered superconducting films; and (2) the disappearance of the celebrated zero-bias Caroli-de Gennes-Matricon peak in disordered superconductors.

研究动机与目标

• 解决薄层无序超导薄膜中巨大磁阻峰这一长期存在的谜题。
• 解释无序超导体在磁场作用下零偏置Caroli-de Gennes-Matricon（CdGM）峰消失的原因。
• 研究二维s波超导体中无序与轨道磁场的相互作用。
• 确定在磁场中，从弱无序到强无序时涡旋结构与电子性质的演化机制。

提出的方法

• 在具有局域无序和磁通的二维晶格模型上进行自洽的Bogoliubov-de Gennes（BdG）数值模拟。
• 通过局域态密度（LDOS）计算探测涡旋核心态，并识别束缚态（如CdGM峰）。
• 分析超流刚度（Ds）与能隙（Eg）随磁场与无序强度的变化关系。
• 通过序参量与LDOS的空间分布追踪涡旋核心结构，以区分Abrikosov涡旋与约瑟夫森涡旋。
• 对涡旋核心处局域杂质势能分布进行统计分析，评估无序的影响。
• 利用费米黄金规则估算，将无序强度与直流电阻率关联起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 无序与磁场共存如何改变超导序参量崩溃的临界场？
• RQ2 为何在无序薄膜中，磁阻在远高于超导-绝缘相变场的区域出现尖锐峰值？
• RQ3 是什么原因导致零偏置CdGM峰在无序超导涡旋中被抑制并最终消失？
• RQ4 随着无序程度增加，涡旋的性质如何从Abrikosov型演变为约瑟夫森型？
• RQ5 局域无序涨落对涡旋核心束缚与亚能隙束缚态形成起到何种作用？

主要发现

• 在弱无序下，超流刚度崩溃的临界场Hc与能隙抑制的场强一致，符合传统的BCS行为。
• 随着无序程度增加，超流刚度崩溃与能隙抑制的临界场发生分离，形成赝能隙相，此时Eg保持有限而Ds趋于零。
• 随着无序增加，涡旋从具有金属核心的Abrikosov型转变为具有能隙且绝缘的核心的约瑟夫森型。
• 巨大磁阻峰自然源于赝能隙相以及向绝缘性涡旋核心的转变，解释了实验中峰的不对称性与幅度。
• CdGM峰向非零能量偏移并减弱，这是由于涡旋核心处局域排斥性杂质所致，其平均抑制导致LDOS中出现软能隙。
• 在低磁场下，涡旋倾向于穿过高无序区域，但随着H增加，涡旋逐渐占据无序度较弱的区域，从而实现亚能隙态的扩展化。