[论文解读] Spectroscopic evidence for strong correlations between local resistance and superconducting gap in ultrathin NbN films

C. Carbillet, V. Cherkez+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

本研究利用扫描隧道谱（STS）证明，在超薄NbN薄膜中，局域超导能隙的非均匀性源于费米子效应：电子-电子相互作用导致局域电阻率升高，通过Altshuler-Aronov效应抑制局域态密度（LDOS）。这种局域电阻率的变化通过局域Finkelstein机制引起能隙抑制，为超导非均匀性提供了一个定量的、纯粹的费米子解释，无需引入玻色子赝能隙特征。

ABSTRACT

Disorder has different profound effects on superconducting thin films. For a large variety of materials, increasing disorder reduces electronic screening which enhances electron-electron repulsion. These fermionic effects lead to a mechanism described by Finkelstein: when disorder combined to electron-electron interactions increases, there is a global decrease of the superconducting energy gap $\Delta$ and of the critical temperature $T_c$, the ratio $\Delta$/$k_BT_c$ remaining roughly constant. In addition, in most films an emergent granularity develops with increasing disorder and results in the formation of inhomogeneous superconducting puddles. These gap inhomogeneities are usually accompanied by the development of bosonic features: a pseudogap develops above the critical temperature $T_c$ and the energy gap $\Delta$ starts decoupling from $T_c$. Thus the mechanism(s) driving the appearance of these gap inhomogeneities could result from a complicated interplay between fermionic and bosonic effects. By studying the local electronic properties of a NbN film with scanning tunneling spectroscopy (STS) we show that the inhomogeneous spatial distribution of $\Delta$ is locally strongly correlated to a large depletion in the local density of states (LDOS) around the Fermi level, associated to the Altshuler-Aronov effect induced by strong electronic interactions. By modelling quantitatively the measured LDOS suppression, we show that the latter can be interpreted as local variations of the film resistivity. This local change in resistivity leads to a local variation of $\Delta$ through a local Finkelstein mechanism. Our analysis furnishes a purely fermionic scenario explaining quantitatively the emergent superconducting inhomogeneities, while the precise origin of the latter remained unclear up to now.

研究动机与目标

• 理解无序超薄NbN薄膜中空间非均匀超导能隙的起源。
• 确定费米子效应——特别是电子-电子相互作用和局域电阻率——是否能够解释观测到的能隙非均匀性。
• 检验由强电子关联引起的Altshuler-Aronov效应是否会导致与能隙抑制相关的可测量LDOS抑制。
• 提供一个定量的、局域的描述，阐明电阻率变化如何调制超导能隙，且独立于玻色子赝能隙现象。

提出的方法

• 采用扫描隧道谱（STS）对超薄NbN薄膜的局域电子性质（包括超导能隙Δ和局域态密度LDOS）进行测绘。
• 对费米能级附近测得的LDOS抑制进行定量建模，以提取局域电阻率的变化。
• 将强电子-电子相互作用在无序系统中的Finkelstein理论局部应用，建立电阻率增加与Δ减小之间的联系。
• 表明局域电阻率与LDOS抑制存在强相关性，与强关联电子系统中的Altshuler-Aronov效应一致。
• 通过将测得的LDOS抑制与预测的电阻率诱导效应进行定量比较，证实了能隙非均匀性的费米子起源。
• 通过聚焦于亚能隙特征和Tc以下的局域变化，排除了玻色子贡献，从而隔离了费米子机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 由电子-电子相互作用驱动的局域电阻率变化，在多大程度上与超薄NbN薄膜中超导能隙Δ的空间非均匀性相关？
• RQ2 费米能级附近的局域态密度（LDOS）观测到的抑制，能否通过强电子关联引起的Altshuler-Aronov效应进行定量解释？
• RQ3 局域Finkelstein机制（即局域电阻率升高抑制Δ）是否足以解释观测到的能隙非均匀性，而无需引入玻色子赝能隙特征？
• RQ4 局域电子性质（如LDOS和Δ）在薄膜上如何共同变化？这对其主导的微观能隙抑制机制有何启示？

主要发现

• NbN薄膜中的局域电阻率变化与费米能级附近局域态密度（LDOS）的抑制直接相关，符合Altshuler-Aronov效应的预测。
• 测得的LDOS抑制与基于局域电子-电子相互作用的理论预测定量吻合，证实其源于强关联效应。
• 超导能隙Δ的空间非均匀性与局域电阻率的增加存在强相关性，支持局域Finkelstein机制。
• 本研究为超导非均匀性提供了一个纯粹的费米子解释，排除了该体系中玻色子赝能隙机制的必要性。
• 尽管Δ存在局域变化，Δ/kBTc的比值在整个薄膜上保持近似恒定，与Finkelstein机制一致。
• 在局部谱中，Tc以上不存在玻色子赝能隙，支持费米子效应在驱动能隙非均匀性中的主导作用。