[论文解读] Onset of superconductor-insulator transition in an ultrathin NbN film under in-plane magnetic field studied by terahertz spectroscopy

M. Šindler, F. Kadlec+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 32被引用 11

一句话总结

本研究利用太赫兹时域光谱法，研究了在面内磁场下厚度为5.3 nm的NbN薄膜中的超导-绝缘体相变（SIT）。通过将麦克斯韦-加涅特有效介质理论与赫尔曼-赫鲁宾纳光学电导率模型相结合，作者证明了磁场通过破坏成对机制抑制超导性，诱导出在正常态基质中存在超导畴的非均匀态。散射率随磁场线性增加，证实了在SIT起始附近，成对破坏是主导机制。

ABSTRACT

Optical conductivity of a moderately disordered superconducting NbN film was investigated by terahertz time-domain spectroscopy in external magnetic field applied along the film plane. The film thickness of about 5 nm was comparable with the coherence length, so vortices should not form. This was confirmed by the fact that no marked difference between the spectra with terahertz electric field set perpendicular and parallel to the external magnetic field was observed. Simultaneous use of Maxwell-Garnett effective medium theory and the model of optical conductivity by Herman and Hlubina proved to correctly reproduce the terahertz spectra obtained experimentally in a magnetic field of up to 7 T. This let us conclude that the magnetic field tends to suppress the superconductivity, resulting in an inhomogeneous state where superconducting domains are enclosed within a normal-state matrix. The scattering rate due to pair-breaking effects was found to linearly increase with magnetic field.

研究动机与目标

• 研究在面内磁场下，超薄NbN薄膜中超导-绝缘体相变（SIT）的起始行为。
• 确定成对破坏机制在抑制二维、超薄超导薄膜中超导性方面的作用。
• 利用太赫兹光谱表征磁场诱导的电子非均匀性。
• 通过实验数据验证结合麦克斯韦-加涅特有效介质理论与赫尔曼-赫鲁宾纳光学电导率模型的理论模型。

提出的方法

• 采用太赫兹时域光谱法（THz-TDS）在3 K下测量了厚度为5.3 nm的NbN薄膜在最高7 T磁场下的复数光学电导率。
• 采用两种实验几何构型：太赫兹电场极化方向平行（E∥）和垂直（E⊥）于面内磁场，以评估各向异性。
• 通过两种方法提取复数电导率˜σ(ν)：(1) 直接通过公式(1)拟合，涉及基底折射率和相位延迟；(2) 通过公式(3)基于正常态电导率作为参考的比值法评估。
• 应用麦克斯韦-加涅特有效介质模型描述非均匀超导态，将超导畴视为嵌入在正常态基质中的结构。
• 采用赫尔曼-赫鲁宾纳光学电导率模型描述超导分量，其中包含成对破坏效应。
• 将理论拟合结果与实验光谱进行比较，以验证模型并提取磁场依赖的散射率。

实验结果

研究问题

• RQ1 面内磁场如何影响超薄NbN薄膜在超导-绝缘体相变附近的光学电导率？
• RQ2 在厚度为5.3 nm、无涡旋形成迹象的NbN薄膜中，面内磁场导致超导性抑制的根源是什么？
• RQ3 面内磁场在多大程度上诱导了电子非均匀性，这种非均匀性在太赫兹光谱中如何体现？
• RQ4 麦克斯韦-加涅特有效介质理论与赫尔曼-赫鲁宾纳模型的结合能否准确再现不同磁场下的实验太赫兹光谱？

主要发现

• E∥与E⊥极化之间未观察到显著差异，证实由于薄膜厚度与相干长度相当，未形成涡旋。
• 磁场通过成对破坏机制抑制超导性，导致在正常态基质中存在超导畴的非均匀态。
• 由成对破坏引起的散射率随磁场线性增加，数据拟合证实了这一比例关系。
• 麦克斯韦-加涅特有效介质理论与赫尔曼-赫鲁宾纳模型的结合成功再现了高达7 T磁场下的实验太赫兹光谱。
• Drude模型能准确描述正常态电导率，其散射时间τn = (15 ± 8) fs，表明存在中等程度的无序。
• 测得临界温度Tc = 13.9 K，略低于较厚NbN薄膜中的值，与超薄薄膜中增强的无序效应一致。