論文の概要: Quantum noise spectroscopy of superconducting critical dynamics and vortex fluctuations in a high-temperature cuprate
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.04439v1
- Date: Thu, 06 Feb 2025 19:00:01 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-02-10 14:55:20.955100
- Title: Quantum noise spectroscopy of superconducting critical dynamics and vortex fluctuations in a high-temperature cuprate
- Title（参考訳）: 高温銅酸化物における超伝導臨界ダイナミクスと渦揺らぎの量子ノイズ分光
- Authors: Zhongyuan Liu, Ruotian Gong, Jaewon Kim, Oriana K. Diessel, Qiaozhi Xu, Zack Rehfuss, Xinyi Du, Guanghui He, Abhishek Singh, Yun Suk Eo, Erik A. Henriksen, G. D. Gu, Norman Y. Yao, Francisco Machado, Sheng Ran, Shubhayu Chatterjee, Chong Zu,
- Abstract要約: 超伝導材料の新規かつ強力な量子センシングプラットフォームとして,ダイヤモンド中の窒素空孔中心を導入する。
高T_c$杯レートBi$Sr$CaCu$$O$_8+delta$ (BSCCO)におけるいくつかの低エネルギー現象を探索することにより、我々のアプローチの強みを実証する。
印加磁場が存在しない場合, 臨界温度$T_capprox90$K付近でNV緩和時間の急激な減少が観測された。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.9724609654446703
- License:
- Abstract: Characterizing the low-energy dynamics of quantum materials is crucial to our understanding of strongly correlated electronic states. However, extracting universal dynamical features requires resolving correlations at both low energy and momentum. Here, we introduce nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond as a novel and powerful quantum sensing platform of superconducting materials. We demonstrate the strengths of our approach by probing several low-energy phenomena in high-$T_c$ cuprate Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+\delta}$ (BSCCO) -- gapless quasiparticle excitations, critical fluctuations at the metal-superconductor transition and kinetics of vortices. In the absence of an applied magnetic field, we find a sharp reduction in the NV relaxation time ($T_1$) near the critical temperature $T_c\approx90~$K, attributed to supercurrent-fluctuation induced magnetic noise. Crucially, the temperature-scaling of the noise near criticality deviates from the Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) mean-field prediction and reflects critical order parameter fluctuations, allowing us to determine both static and dynamical critical exponents for the transition. When a small field is applied, we detect a broad and asymmetric reduction of $T_1$ near $T_c$, indicating significant field-induced smearing of the transition. By analyzing the scaling of the BSCCO-induced relaxation rate with the field strength, we unveil evidence in favor of a vortex liquid phase. Finally, deep inside the superconducting phase, we employ NV decoherence ($T_2$) spectroscopy to observe strong magnetic fluctuations in the low-frequency regime, suggesting the presence of complex vortex-solid fluctuations. Our results establish NV-based noise spectroscopy as a versatile platform for probing dynamical phenomena in superconductors, with frequency and length scales complementary to existing techniques.
- Abstract（参考訳）: 量子材料の低エネルギーダイナミクスを特徴づけることは、強く相関した電子状態を理解する上で非常に重要である。
しかし、普遍力学の特徴を抽出するには、低エネルギーと運動量の両方で相関を解く必要がある。
ここでは,超伝導材料の新規かつ強力な量子センシングプラットフォームとして,ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)センターを紹介する。
高T_c$カップレートBi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+\delta}$ (BSCCO) -- ギャップのない準粒子励起、金属-超伝導転移における臨界揺らぎ、渦の速度論によって、我々のアプローチの強みを実証する。
印加磁場がなければ, 臨界温度$T_c\approx90~$K付近のNV緩和時間(T_1$)は, 超電流変動誘起磁気ノイズにより急激に減少することがわかった。
バルディーン・クーパー=シュリーファー(BCS)平均場予測から臨界近傍の雑音の温度スケーリングを逸脱し、臨界次パラメータの変動を反映し、遷移の静的および動的臨界指数を決定できる。
小さい磁場を印加すると、T_1$付近の広い非対称な減少を検知し、遷移の場誘起スミアリングが顕著であることを示す。
BSCCOにより誘起される緩和速度を磁場強度で解析することにより、渦液相を支持する証拠を明らかにする。
最後に、超伝導相の奥深くでは、低周波状態における強い磁気ゆらぎを観測するために、NVデコヒーレンス(T_2$)分光法を用いて、複雑な渦-固体ゆらぎの存在を示唆している。
本研究は, 超伝導体における動的現象を推定するための汎用プラットフォームとして, 従来の技術と相補的な周波数と長さのスケールを用いたNVベースノイズ分光法を確立した。
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