[论文解读] The Berezinskii-Kosterlitz-Thouless Transition and Anomalous Metallic Phase in a Hybrid Josephson Junction Array

C. G. L. Bøttcher, Fabrizio Nichele+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 9

一句话总结

本研究调查了通过顶栅调控的二维InAs/Al异质结约瑟夫森结阵列中的贝雷津-科斯特利茨-图思（BKT）相变及异常金属（M*）相。研究发现，BKT相变温度在超导体与M*相边界处趋于零，表明M*相中涡旋-反涡旋对配对不完整；在M*相中观测到面内磁场依赖的面电阻呈现幂律行为，指数≈1/2，与非BKT、非超导金属态一致。

ABSTRACT

We investigate the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) transition in a semiconductor-superconductor two-dimensional Josephson junction array. Tuned by an electrostatic top gate, the system exhibits separate superconducting (S), anomalous metal (M*), and insulating (I) phases, bordered by separatrices of the temperature-dependent of sheet resistance, $R_{s}$. We find that the gate-dependent BKT transition temperature falls to zero at the S-M* boundary, suggesting incomplete vortex-antivortex pairing in the M* phase. In the S phase, $R_{s}$ is roughly proportional to perpendicular magnetic field at the BKT transition, as expected, while in the M* phase $R_{s}$ deviates from its zero-field value as a power-law in field with exponent close to 1/2 at low temperature. An in-plane magnetic field eliminates the M* phase, leaving a small scaling exponent at the S-I boundary, which we interpret as a remnant of the incipient M* phase.

研究动机与目标

• 研究二维异质结约瑟夫森结阵列中贝雷津-科斯特利茨-图思（BKT）相变与异常金属（M*）相之间的相互作用。
• 通过分析BKT相变温度与栅压的依赖关系以及面电阻，确定M*相的本质。
• 通过研究系统在垂直磁场与平面内磁场下的响应，探究M*相的稳定性和起源。
• 利用电阻等温线的标度分析，评估异常金属相是否为真正的金属态，或仅为超导性的前驱态。

提出的方法

• 通过全局静电顶栅调控系统，以实现超导（S）、异常金属（M*）与绝缘（I）相。
• 在不同栅压下测量温度依赖的面电阻 $R_s(T)$，通过凹凸性与饱和行为识别相边界。
• 通过将 $R_s(T)$ 拟合至BKT形式 $R_s(T) \propto \frac{1}{\ln(T/T_{\rm BKT})}$ 分析BKT相变，提取作为栅压函数的 $T_{\rm BKT}$。
• 在S相与M*相中测量面电阻对垂直磁场 $B_\perp$ 的幂律依赖，从 $R_s \propto B_\perp^\beta$ 提取指数 $\beta$。
• 施加平面内磁场以抑制M*相，并利用 $|V_G^{S-I} - V_G| T^{-\alpha}$ 分析电阻等温线的标度行为，提取标度指数 $\alpha$。
• 在S-M*、M*-I与S-I边界处进行标度分析，评估临界行为，并将较小的 $\alpha$ 值解释为M*相的残余特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 BKT相变温度 $T_{\rm BKT}$ 是否在S-M*边界处趋于零，表明M*相中涡旋-反涡旋对在零温下无法结合？
• RQ2 M*相中面电阻的场依赖行为如何？其是否遵循指数接近1/2的幂律，与某些非BKT金属理论的预测一致？
• RQ3 平面内磁场如何影响异常金属相的稳定性及电阻等温线的标度行为？
• RQ4 在S-M*边界处观测到的极小标度指数 $\alpha \approx 0.01$ 是否可解释为M*相被抑制后留下的残余特征？
• RQ5 M*-I边界处 $R_s \sim R_Q$ 是否与常规超导-绝缘体相变一致，还是反映了M*行为的残余特征？

主要发现

• BKT相变温度 $T_{\rm BKT}$ 外推至S-M*边界时趋于零，表明在M*相中涡旋-反涡旋对在零温下无法结合。
• 在M*相中，面电阻 $R_s$ 对垂直磁场呈现幂律依赖，指数 $\beta \approx 0.5$，与非超导金属态一致。
• 施加0.5 T的平面内磁场可抑制M*相，导致等温线出现单一交叉，标度指数 $\alpha \approx 0.10$，被解释为原M*相的残余特征。
• 在零平面内磁场下，S-M*边界处的标度指数为 $\alpha = 0.01$，M*-I边界处为 $\alpha = 0.13$（包含低温数据），两者均显著小于常规相变的预期值。
• M*-I边界在温度上近似不变，且 $R_s \sim 6$ k$\Omega$，与常规超导-绝缘体相变中 $R_s \sim R_Q$ 的行为相似。
• 在M*相中观测到的 $\beta \approx 1/2$ 与一种理论图像一致：涡旋-反涡旋对虽已形成但未完全结合，其耦合常数为 $K = 1/\pi$。