Study on the effect of disorder on MgB2 superconductors via ion irradiation

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The correlation between superconductivity and disorder is an important issue in understanding the superconducting mechanism. In 1959, Anderson revealed that nonmagnetic impurities have no considerable effect on the superconducting critical temperature (Tc) of the s-wave superconductor. Nevertheless, various experiments have shown that disorder suppresses superconductivity because the Anderson model is satisfied with weakly disordered systems. The superconducting state is characterized by the superconducting order parameter with the amplitude and phase. Tc of conventional superconductors is well described by Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS)–Eliashberg mean-field theory. According to the BCS–Eliashberg theory, Tc suppressed by disorder is owing to a change in the amplitude of the superconducting order parameter associated with the superconducting energy gap. However, strongly disordered superconductors have spatial fluctuations in the superconducting order parameter. This thesis addresses the effect of disorder on the superconductivity of MgB2 thin films. The MgB2 thin film was deposited using a hybrid physical-chemical vapor deposition (HPCVD) system. The disorder level generated in the MgB2 thin film was adjusted through various ion irradiation and expressed as the average displacement per atom (dpaavg). MgB2 is a conventional superconductor, and Tc satisfies the McMillan equation, which consists of the Debye temperature (Θ) and electron-phonon coupling constant (λ). Θ was obtained through the normal state resistivity and was not significantly affected by dpaavg. However, λ estimated using the McMillan equation decreased as dpaavg increased. For dpaavg ≤ 0.049, λ was linearly proportional to dpaavg, and for dpaavg > 0.049, λ deviated from the linear fitting curve. In MgB2 thin films where λ deviated from the linear fitting curve, magnetic field-induced superconductor-insulator transition occurred at low temperatures. Based on the dirty bosonic scenario, the magnetic field-induced superconductor-insulator transition at T=0 of the disordered two-dimensional superconductors was owing to the loss of phase coherence between the spatial variation of superconducting order parameters. In this scenario, the relationship between magneto-resistivity follows the scaling law. The magneto-resistivity of disordered MgB2 thin films whose λ deviated from the linear fitting curve was confirmed to follow the scaling law. This result suggests that the phase coherence between the spatial variation of the superconducting order parameter owing to disorder plays an important role in determining the Tc of MgB2 thin films.

국문 초록 (Abstract)

초전도와 무질서와의 상관관계는 초전도 발생 메커니즘을 이해하는 데 중요한 쟁점 중 하나이다. 1959년 Anderson 은 자기 불순물이 s-wave 초전도체의 초전도 임계 온도(Tc)에 큰 영향을 미치지 않는다고 설명했다. 그럼에도 불구하고, 다양한 실험 결과들은 무질서가 초전도성을 억제한다는 것을 보여주었다. 이는 Anderson 모델이 약하게 무질서한 시스템에 만족하기 때문이다. 초전도 상태는 진폭과 위상을 갖는 초전도 질서맺음 변수(superconducting order parameter)로 특징지어진다. 전통적인 초전도체의 Tc는 Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)-Eliashberg 평균장 이론에 의해 잘 설명된다. BCS Eliashberg 이론에 의하면 무질서에 의한 억제된 Tc는 초전도 에너지 갭과 관련된 초전도 질서맺음 변수의 진폭에 영향을 받아 변한다. 그러나, 강하게 무질서화된 초전도체는 초전도 질서맺음 변수의 공간적 변동을 가진다. 본 학위 논문은 무질서가 MgB2 박막의 초전도성에 미치는 영향을 다룬다. MgB2 박막은 혼성 물리 화학 증착(HPCVD) 시스템을 이용하여 증착하였다. MgB2 박막에 생성되는 무질서 레벨은 다양한 이온조사를 통해 조절하였고 원자당 평균 이탈(average displacement per atom, dpaavg)로 표현하였다. MgB2는 전통적인 초전도체로 초전도 임계온도는 드바이 온도(Θ)와 전자-포논 결합 상수(λ)로 구성된 McMillan 방정식을 만족한다. Θ는 정상 상태의 비저항을 통해 구했으며 dpaavg에 의해 두드러지게 영향을 받지 않았다. 반면, McMillan 방정식을 통해 추정한 전자-포논 결합 상수는 dpaavg가 증가함에 따라 감소하였다. dpaavg ≤ 0.049의 경우, λ는 dpaavg에 선형적으로 비례하였고 dpaavg > 0.049의 경우 λ가 선형선으로부터 벗어났다. λ가 선형선에서 벗어난 MgB2 박막들은 저온에서 자기장-유도 초전도-절연체 전이가 발생했다. 더러운 보존닉 시나리오에 의하면 무질서화된 2차원 초전도체의 T=0 에서의 자기장-유도 초전도-절연체 전이는 초전도 질서맺음 변수의 공간적 변동 사이의 위상 일관성의 상실로 인해 발생한다. 이 시나리오에서 자기-저항 사이의 관계는 스케일링 법칙을 따릅니다. λ가 선형선에서 벗어난 무질서화된 MgB2 박막의 자기-비저항이 스케일링 법칙을 따르는 것을 확인하였고, 이는 무질서에 의해 발생한 초전도 질서맺음 변수의 공간적 변동 사이의 위상 일관성이 MgB2 박막의 Tc를 결정하는데 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. INTRODUCTION 1
• 1.1 Conventional superconductor 1
• 1.2 Unconventional superconductor 10
• 1.3 Disorder effect on conventional superconductors 14
• 1.4 Subject to be discussed 21
• Chapter 2. MgB2 and experimental methods 22
• 2.1 MgB2 superconductor 22
• 2.2 Growth of MgB2 films 26
• 2.3 X-ray diffraction 29
• 2.4 Scanning electron microscopy 31
• 2.5 Physical property measurement system 32
• 2.6 Low-energy ion irradiation 34
• Chapter 3. Influence of disorder strength on the superconducting mechanism of MgB2 35
• 3.1 Introduction 35
• 3.2 Experiments 38
• 3.3 Results and Discussion 42
• 3.4 Conclusions 57
• Chapter 4. Magnetic field-induced superconductor-insulator transition on disordered MgB2 films. 58
• 4.1 Introduction 58
• 4.2 Experiments 59
• 4.3 Results and discussion 60
• 4.4 Conclusions 75
• Chapter 5. Summary 76
• 5.1 Summary 76
• References 79
• Abstract (in Korean) 87