京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第21247号 / 理博第4417号 / 新制||理||1634(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 石田 憲二, 教授 前野 悦輝, 教授 松田 祐司 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

High-temperature superconductors have been intensely studiedsince the discovery, almost 20 years ago. Their layeredstructure, extreme type-II behavior, large anisotropy, andstrong fluctuations have led to a large number of new andinteresting problems. In this work the resistive transitionhave been studied in YBa2Cu3O7-δsingle crystals, from the superconductingfluctuations above Tcdown to the vortex matter near the onset of resistivity.Superconducting fluctuations above Tcare suitably studied by measuring themagnetoconductivity Δσ = 1/ρ(B)-1/ρ(0).Such experiments were performed on untwinned, optimally dopedsamples, forI||ab. ForH||c, fluctuations in the CuO-chains was not important, andfluctuations in the CuO2 planes seemed isotropic. The in-planecoherence length anisotropy was determined to be close tounity. ForH||ab, Δσbdepended on the field direction, indicating an effect ofthe chains on the magnetoconductivity in thisconfiguration. The nature of the vortex phase below Tccan be examined through vortex-correlation measurements.Using a modified pseudo-flux transformer (PFT) geometry forin-plane experiments, the magnetic field could be appliedparallel to both the a, b, and c axis. A strong Lorentz forcewas detected, and observed to be a requirement for the meltingstep feature. The resistive anisotropy close to Tcwas strongly field and temperature dependent, which wasexplained by an almost isotropic fluctuation contribution. The effect of anisotropy on vortex-liquid correlation infieldsH||ab, was studied byc-axis transport measurements in oxygen-deficientsamples, using a PFT configuration. Increasing disordersuppressed both longitudinal and transverse correlation. Inheavily underdoped samples, vortex correlation was enhanced formagnetic fields exactly aligned with theabplane because of the strong anisotropy. Also, thesolid-to-liquid transition temperature became nearly fieldindependent. Attempts were also made to connect the fluctuation regime ofthe resistive transition with the vortex region,by accountingfor critical fluctuations close to the transition. Keywords:high-temperature superconductors, YBa2Cu3O7-δ, untwinned YBCO, oxygen deficiency,superconducting fluctuations, magnetoconductivity, in-planeanisotropy, vortex liquid, vortex solid, vortex correlation

<p>High-temperature superconductors have been intensely studiedsince the discovery, almost 20 years ago. Their layeredstructure, extreme type-II behavior, large anisotropy, andstrong fluctuations have led to a large number of new andinteresting problems. In this work the resistive transitionhave been studied in YBa₂Cu₃O_7-δsingle crystals, from the superconductingfluctuations above T<i>c</i>down to the vortex matter near the onset of resistivity.Superconducting fluctuations above T<i>c</i>are suitably studied by measuring themagnetoconductivity Δσ = 1/ρ(B)-1/ρ(0).Such experiments were performed on untwinned, optimally dopedsamples, for<b>I</b>||<b>ab</b>. For<b>H</b>||<b>c</b>, fluctuations in the CuO-chains was not important, andfluctuations in the CuO2 planes seemed isotropic. The in-planecoherence length anisotropy was determined to be close tounity. For<b>H</b>||<b>ab</b>, Δσ<i>b</i>depended on the field direction, indicating an effect ofthe chains on the magnetoconductivity in thisconfiguration.</p><p>The nature of the vortex phase below T<i>c</i>can be examined through vortex-correlation measurements.Using a modified pseudo-flux transformer (PFT) geometry forin-plane experiments, the magnetic field could be appliedparallel to both the a, b, and c axis. A strong Lorentz forcewas detected, and observed to be a requirement for the meltingstep feature. The resistive anisotropy close to T<i>c</i>was strongly field and temperature dependent, which wasexplained by an almost isotropic fluctuation contribution.</p><p>The effect of anisotropy on vortex-liquid correlation infields<b>H</b>||<b>ab</b>, was studied by<i>c</i>-axis transport measurements in oxygen-deficientsamples, using a PFT configuration. Increasing disordersuppressed both longitudinal and transverse correlation. Inheavily underdoped samples, vortex correlation was enhanced formagnetic fields exactly aligned with the<i>ab</i>plane because of the strong anisotropy. Also, thesolid-to-liquid transition temperature became nearly fieldindependent.</p><p>Attempts were also made to connect the fluctuation regime ofthe resistive transition with the vortex region,by accountingfor critical fluctuations close to the transition.</p><p><b>Keywords:</b>high-temperature superconductors, YBa₂Cu₃O_7-δ, untwinned YBCO, oxygen deficiency,superconducting fluctuations, magnetoconductivity, in-planeanisotropy, vortex liquid, vortex solid, vortex correlation</p>

La théorie de Landau des liquides de Fermi prévoit que la charge et la chaleur sont transportées par les mêmes objets: les quasi-particules fermionics de Landau. De façon très général, ceci est vrai, si l'écrantage parmi les particules dans le système est assez fort pour pouvoir continuer à considérer le système comme composé de particules indépendantes. C'est le cas, par exemple, pour la mer d'électrons dans un métal ordinaire. L'existence d'un même responsable pour le transport de la charge et de la chaleur est exprimé par la lois de Wiedemann-Franz (WF) qui affirme que le rapport entre la conductivité thermique et électrique dépend de la température par une constante qui est plus au moins la même pour plusieurs métaux. La constante de proportionnalité est appelé nombre de Lorenz. <br /> Que se passe-t-il si les conditions concernant l'écrantage que nous avons mentionnées ne sont plus satisfaites, comme par exemple dans les systèmes à dimensionalité réduite, ou des système à basse densité électronique? <br /> Le travail de thèse est divisé en deux parties. Dans la première partie, nous avons étudié le transport thermique et électrique dans un fil quantique désordonné; dans la deuxième, l'influence des fluctuations supraconductives sur la conductivité thermique dans un métal granulaire.<br /><br /> -)Fils Quantiques: <br /><br /> Généralement, on appelle fil quantique un conducteur uni-dimensionel. Aujourd'hui, il est possible de réaliser des conducteurs qui présentent de très forts potentielles de confinement le long de un ou deux des dimensions linéaire. En particulier, les fils quantiques se comportent comme des véritables guides d'onde pour les électrons car ils peuvent avoirs des diamètres qui sont comparable à la longueur d'onde de Fermi. <br /> A cause de la basse dimensionalité, des tels systèmes sont étudiés dans le contexte de la théorie des liquides de Luttinger qui permet de bien prendre en compte les effets d'interaction parmi les particules. <br /> Pour un fil quantique propre connecté à deux réservoirs, la conductance électrique n'est pas renormalisée, alors que celle thermique l'est fortement à cause de la présence des connexions aux réservoirs. La présence d'un faible désordre renormalise aussi la conductance électrique. Ceci était déjà connu. <br /> Nous avons évalué la renormalisation due aux impuretés pour la conductance thermique. Cela nous a permis de pouvoir évaluer la correction au nombre de Lorenz. <br /> A très basses températures, la correction est nulle, alors que à hautes température elle ne l'est jamais. Nous pouvons affirmer qu'un fil quantique avec impuretés n'est pas dans un état type liquide de Fermi.<br /><br /> -) Métaux Granulaires: <br /> <br /> Dans un métal normal en présence d' interactions de type BCS, les électrons peuvent former des pairs de Cooper même à une température plus élevé que la température critique. Dans ce cas, les propriétés de transport du métal normal se mélangent avec celle de l'état supraconducteur. Cela donne lieu à des contributions qui déterminent le transport de la charge et de l'énergie. <br /> Notamment, sont trois les termes qui contribuent: la contribution Aslamazov -Larkin (AL), la contribution Maki-Thomson (MT), et la contribution Densité d'état (DOS). <br /> La première prend en compte la facilité des électrons formants un pair de Cooper à se propager à travers le système. Cette contribution est aussi appelé paraconductivité; les électrons formants des pairs de Cooper ne sont plus disponibles pour le transport à une seul particule. Cela est pris en compte par la contribution DOS. Le terme MT prend en compte la diffusion cohérent des électrons formants un pair de Cooper sur la même impureté.<br /> Pour un système massif, il a été démontré que les contributions DOS et MT se compense exactement. Il ne reste que le terme AL qui n'est pas singulier dans la température. <br /> Un métal granulaire peut être considéré comme un ensemble D-dimensionel the grains metallics plongé dans un milieux isolant. Les grains communiquent entre eux par effet tunnel.<br /> C'est raisonnable imaginer que la présence de l'effet tunnel renormalise les propriétés de transport. En effet, un comportement dépendant de la température émerge. Les contributions AL et MT sont d'ordre supérieur par rapport au terme DOS.<br /> On peut distinguer deux régions différentes: loin et près de la température critique. Loin de la température critique, le tunneling parmi les grains n'est pas efficace, et la structure granulaire l'emporte; une suppression de la correction à la conductivité thermique est retrouvée. Près de la température critique, le tunneling est efficace est la structure massive est retrouvée. Le signe de la correction n'est pas défini de manière univoque. Il dépend de la transparence de la barrière et de la compétition parmi les différentes contributions.<br /> Dans les deus différents régimes, la lois de WF est violée.

It is well known from Mermin-Wagner theorem that a two dimensional(2D) system with continuous symmetry can have no long-range order at finite temperature. However such systems can undergo a transition from a low temperature phase with quasi-long range order to a disordered phase at high temperatures. This is known as Berezinskii Kosterlitz Thouless (BKT) transition. The BKT transition is characterized by the presence of bound vortex pairs at low temperature which dissociate into free vortices above the critical temperature and has been observed in thin superconducting films, 2D superfluids, 2D liquid crystals etc. In this thesis work, we have used resistance/current fluctuations (low frequency/shotnoise) as a probe to investigate the BKT transition in different 2D systems. This work can be divided into three parts: In the first part, we probe the ground state of interacting electrons in 2D in the presence of disorder. We show that at low enough temperatures (~ 270mK),the conductivity tends to zero at a nonzero carrier density with a BKT-like transition. Our experiments with many two dimensional electron systems in GaAs/AlGaAs heterostructures suggest that the charge transport at low carrier densities is due to the melting of an underlying ordered ground state through proliferation of topological defects. Independent measurement of low-frequency conductivity noise supports this scenario. In the second part, we probe the presence of long-range correlations in phase fluctuations by analyzing the higher-order spectrum of resistance fluctuations in ultrathin NbN superconducting films. The non-Gaussian component of resistance fluctuations is found to be sensitive to film thickness close to the transition, which allows us to distinguish between mean field and BKT type superconducting transitions. The extent of non-Gaussianity was found to be bounded by the BKT and mean field transition temperatures and depends strongly on the roughness and structural inhomogeneity of the superconducting films. In the final part of the thesis, we explore the transport mechanism in disordered 2D superconductors using shot noise. The resistivity shows an activated transport in the patterned ultrathin films of NbN at low temperatures signifying the presence of large scale inhomogeneities in the sample. The measurement of current fluctuations yield a giant excess noise at low temperatures which eventually decreases below the measurement background at a temperature corresponding to the normal state of the original sample(before patterning). We attribute the enhancement in the shot noise to a possible occurrence of multiple Andreev reflections occurring in a network of SNS(superconductor-normal-superconductor) junctions formed due to the interplay of disorder and superconducting fluctuations.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der elektrischen Charakterisierung 10 nm dünner Schichten bestehend aus amorphen Ga-Nanoclustern eingebettet in Ga-dotiertes polykristallines Si. Die Herstellung der Schichten geschieht via Ionen-Implantation in Si-Wafer samt anschließender thermischer Ausheilung. Elektrische Transportmessungen in Magnetfeldern von bis zu 50 T zeigen, dass die Schichten durch Variation der Ausheilparameter zwei strukturelle Supraleiter-Isolator-Übergänge durchlaufen. TEM-gestützte Strukturanalysen decken auf, dass den Übergängen eine Gefügetransformation zugrunde liegt, die das Wechselspiel zwischen supraleitender Cluster-Kopplung und kapazitiver Ladungsenergie sowie dem Ausmaß von thermischen und Quantenfluktuationen beeinflusst. Im supraleitenden Regime (Tc = 7 K) wird ein doppelt reentrantes Phänomen beobachtet, bei dem Magnetfelder von mehreren Tesla in anisotroper Form die Supraleitung begünstigen. Eine qualitative Erklärung gelingt via selbstentwickeltem theoretischen Modell basierend auf Phaseslip-Ereignissen für Josephson-Kontakt-Netzwerke. Für Anwendungen im Bereich der Sensor-Technologie und Quanten-Logik werden die Schichten erfolgreich via Fotolithographie und FIB (focused ion beam) mikro- und nanostrukturiert. Dadurch gelingt die erstmalige Beobachtung des Little-Parks-Effektes in einer Nanostruktur aus amorphem Ga. / The following thesis is devoted to the electrical characterization of 10 nm thin layers consisting of amorphous Ga nanoclusters embedded in Ga-doped polycrystalline Si. The preparation of the layers is realized via ion implantation in Si wafers plus subsequent thermal annealing. Electrical-transport measurements in magnetic fields of up to 50 T show that the layers undergo two structural superconductor-insulator transitions upon variation of the annealing parameters. Structural analyzes based on TEM investigations reveal an underlying transformation of the size and distance of the clusters. This influences the interplay of the superconducting cluster coupling and capacitive charging energy as well as the extent of thermal and quantum fluctuations. In the superconducting regime (Tc = 7 K) a double-reentrant phenomenon is observed. Here, magnetic fields of several Tesla facilitate superconductivity in an anisotropic way. A qualitative explanation is given via a self-developed theoretical model based on phase-slip events for Josephson-junction arrays. With respect to applications regarding sensor technology and quantum logic circuits the layers are successfully micro- and nanostructured via photolithography and FIB. This allows for the first observation of the Little-Parks effect in a nanostructure of amorphous Ga.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der elektrischen Charakterisierung 10 nm dünner Schichten bestehend aus amorphen Ga-Nanoclustern eingebettet in Ga-dotiertes polykristallines Si. Die Herstellung der Schichten geschieht via Ionen-Implantation in Si-Wafer samt anschließender thermischer Ausheilung. Elektrische Transportmessungen in Magnetfeldern von bis zu 50 T zeigen, dass die Schichten durch Variation der Ausheilparameter zwei strukturelle Supraleiter-Isolator-Übergänge durchlaufen. TEM-gestützte Strukturanalysen decken auf, dass den Übergängen eine Gefügetransformation zugrunde liegt, die das Wechselspiel zwischen supraleitender Cluster-Kopplung und kapazitiver Ladungsenergie sowie dem Ausmaß von thermischen und Quantenfluktuationen beeinflusst. Im supraleitenden Regime (Tc = 7 K) wird ein doppelt reentrantes Phänomen beobachtet, bei dem Magnetfelder von mehreren Tesla in anisotroper Form die Supraleitung begünstigen. Eine qualitative Erklärung gelingt via selbstentwickeltem theoretischen Modell basierend auf Phaseslip-Ereignissen für Josephson-Kontakt-Netzwerke. Für Anwendungen im Bereich der Sensor-Technologie und Quanten-Logik werden die Schichten erfolgreich via Fotolithographie und FIB (focused ion beam) mikro- und nanostrukturiert. Dadurch gelingt die erstmalige Beobachtung des Little-Parks-Effektes in einer Nanostruktur aus amorphem Ga. / The following thesis is devoted to the electrical characterization of 10 nm thin layers consisting of amorphous Ga nanoclusters embedded in Ga-doped polycrystalline Si. The preparation of the layers is realized via ion implantation in Si wafers plus subsequent thermal annealing. Electrical-transport measurements in magnetic fields of up to 50 T show that the layers undergo two structural superconductor-insulator transitions upon variation of the annealing parameters. Structural analyzes based on TEM investigations reveal an underlying transformation of the size and distance of the clusters. This influences the interplay of the superconducting cluster coupling and capacitive charging energy as well as the extent of thermal and quantum fluctuations. In the superconducting regime (Tc = 7 K) a double-reentrant phenomenon is observed. Here, magnetic fields of several Tesla facilitate superconductivity in an anisotropic way. A qualitative explanation is given via a self-developed theoretical model based on phase-slip events for Josephson-junction arrays. With respect to applications regarding sensor technology and quantum logic circuits the layers are successfully micro- and nanostructured via photolithography and FIB. This allows for the first observation of the Little-Parks effect in a nanostructure of amorphous Ga.