[论文解读] Phase fluctuations in a conventional s-wave superconductor: Role of dimensionality and disorder

Mintu Mondal|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究探讨了NbN薄膜中的相位涨落，表明在二维（2D）体系中，当考虑较小的涡旋核心能量时，贝雷津-科斯特利茨-索利斯（BKT）相变是一致的。在三维（3D）无序薄膜中，即使库珀对仍然存在，仅相位涨落即可破坏超导性，凸显了相位涨落在低维和无序超导体中的主导作用。

ABSTRACT

As a part of my doctoral thesis, I studied the effect of phase fluctuations in two dimensional (2D) and three dimensional (3D) superconducting films of conventional s-wave superconductor, NbN, by measuring the electrodynamics response through magnetic penetration depth at low frequency and the complex conductivity at microwave frequencies. We show that the phase transition in 2D or quasi-2D superconductors can be reconciled with the standard Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) transition when the small vortex core energy is taken into consideration. In 3D NbN films, we show that in presence of strong disorder, superconductivity can get destroyed by phase fluctuations even if Cooper pairs continue to survive in the system. Our study provides a paradigmatic picture of importance of phase fluctuations in 2D and strongly disordered 3D superconductors.

研究动机与目标

• 理解在不同维度和无序条件下，相位涨落在常规s波超导体中的作用。
• 将二维和准二维超导薄膜中的实验观测与贝雷津-科斯特利茨-索利斯（BKT）相变理论相协调。
• 研究在强无序的三维体系中，超导性是否可仅由相位涨落完全抑制，即使库珀对依然完整。
• 为低维和无序超导体中的相位涨落效应提供统一框架。

提出的方法

• 通过低频测量磁穿透深度，探测二维和准二维NbN薄膜中的相位动力学。
• 利用微波频段的复电导率评估电磁响应及相位涨落效应。
• 在强无序条件下分析体系响应，以分离相位涨落的作用。
• 将实验数据与包含小涡旋核心能量修正的BKT相变理论预测进行比较。
• 将标准BKT理论应用于二维体系，并纳入有限涡旋核心能量效应。
• 系统研究具有逐渐增强无序度的三维NbN薄膜，以识别超导相变抑制的临界点。

实验结果

研究问题

• RQ1 当考虑较小的涡旋核心能量时，贝雷津-科斯特利茨-索利斯（BKT）相变是否能够解释二维和准二维NbN薄膜中的超导相变？
• RQ2 在强无序的三维NbN薄膜中，相位涨落单独在多大程度上抑制了超导性？
• RQ3 在三维超导体中是否存在一个库珀对依然存在但超导性因相位涨落而被破坏的区域？
• RQ4 维度如何影响相位涨落在常规s波超导体中对幅度涨落的主导作用？

主要发现

• 在二维和准二维NbN薄膜中，当理论描述中包含较小的涡旋核心能量时，贝雷津-科斯特利茨-索利斯（BKT）相变保持一致。
• 在强无序的三维NbN薄膜中，尽管系统中仍存在库珀对，超导性仍被相位涨落所抑制。
• 相位涨落成为低维和无序体系中超导相变抑制的主导机制，且与配对幅度无关。
• 本研究确立了一种新范式：即使不存在破坏配对的机制，相位涨落仍可驱动体系进入正常态。