[论文解读] Quantum meets classical phase transition: Low-temperature anomaly in disordered superconductors near $B_{c2}$

Benjamin Sacépé, Johanna Seidemann+6 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Sep 22, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 46被引用 12

一句话总结

本研究通过将无序超导体中接近零温时B_{c2}(T)的线性T依赖性与涡旋玻璃热涨落联系起来，解决了长期存在的难题。非晶氧化铟薄膜的实验表明，临界电流jc(B)与|B - B_{c2}(0)|^{1.6}成比例，与平均场理论一致，而理论预测dB_{c2}/dT|_{T→0}与面电阻成正比，实验结果也证实了这一点。

ABSTRACT

Strongly disordered superconductors in a magnetic field display many characteristic properties of type-II superconductivity--- except at low temperatures where an anomalous linear $T$-dependence of the resistive critical field $B_{c2}$ is routinely observed. This behavior violates the conventional theory of superconductivity, and its origin remains a long-standing puzzle. Here we report on systematic measurements of the critical magnetic field and current on amorphous indium oxide films of various levels of disorder. Surprisingly, our measurements show that the $B_{c2}$ anomaly near zero-temperature is accompanied by a clear mean-field like scaling behavior of the critical current. We demonstrate theoretically that these are consequences of the vortex-glass ground state and its thermal fluctuations. This theory further predicts the linear-$T$ anomaly to occur in films as well as bulk superconductors with a slope that depends on the normal-state sheet resistance---in agreement with experimental data. Thus, our combined experimental and theoretical study reveals universal low-temperature behavior of $B_{c2}$ in a large class of disordered superconductors.

研究动机与目标

• 解决无序超导体中T=0附近B_{c2}(T)的线性T依赖性这一长期存在的实验异常。
• 确定所观测到的低温行为是否源于介观涨落或一种新的量子相。
• 在B_{c2}(0)附近测量临界电流jc(B)，以探测超流刚度并确定其潜在的临界行为。
• 建立一个理论框架，用涡旋玻璃热涨落解释B_{c2}(T)在低温下的线性T依赖性。
• 确立无序超导体中B_{c2}(T)斜率与正常态面电阻的普遍标度关系。

提出的方法

• 系统测量不同无序度和面电阻的非晶氧化铟（a:InO）薄膜中B_{c2}(T)和jc(B)。
• 在涡旋被强烈钉扎的涡旋玻璃相中，使用临界电流jc作为超流刚度ρ_s(B)的代理。
• 对涡旋玻璃热涨落进行理论建模，以解释低温下B_{c2}(T)的线性T依赖性。
• 利用涉及ρ_s(T,B)和能隙函数的超流刚度表达式，推导归一化斜率db(t)/dt|_{t→0}，结合BKT理论。
• 从平均场条件α=0计算临界场B_{c2}(0)，并从类似BCS的能隙方程求解T_c0。
• 将理论预测与实验数据进行比较，以确认dB_{c2}/dT|_{T→0}对R_□/R_Q的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 无序超导体中低温下B_{c2}(T)的异常线性T依赖性由何引起？
• RQ2 观测到的临界电流标度jc(B) ∝ |B - B_{c2}(0)|^{1.6}是否与平均场理论一致，还是源于介观涨落？
• RQ3 B_{c2}(T)在T=0附近的斜率是否依赖于正常态面电阻R_□？
• RQ4 涡旋玻璃热涨落能否解释B_{c2}(T)的低温异常？
• RQ5 所观测到的行为是否在不同无序超导体中具有普适性？

主要发现

• 临界电流jc(B)表现出与磁场的幂律依赖关系，指数υ ≈ 1.6，与平均场理论的υ = 3/2一致，与预测指数标度的介观涨落理论不一致。
• 理论预测dB_{c2}/dT|_{T→0}与正常态面电阻R_□成线性比例，实验数据证实了该预测。
• 理论分析表明，涡旋玻璃态的热涨落导致了B_{c2}(T)的线性T依赖性，而T=0时的超流刚度仍保持平均场特性。
• jc(B)和B_{c2}(T)的标度行为在无序超导体中具有普适性，涵盖薄膜和体材料。
• 理论建模证实，是涡旋玻璃态而非介观涨落解释了线性T依赖性，从而解决了数十年来的谜题。
• 发现在强无序体系中，ρ_s0/T_c0减小，导致实验观测到的归一化斜率K大于半经典理论的预测值。