論文の概要: Quantum noise spectroscopy of superconducting dynamics in thin film Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+δ}$
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.04439v2
- Date: Thu, 27 Feb 2025 20:29:30 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-03-03 13:37:18.684245
- Title: Quantum noise spectroscopy of superconducting dynamics in thin film Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+δ}$
- Title（参考訳）: 薄膜Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+δ}$における超伝導ダイナミクスの量子ノイズ分光
- Authors: Zhongyuan Liu, Ruotian Gong, Jaewon Kim, Oriana K. Diessel, Qiaozhi Xu, Zackary 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: 薄膜Bi$Sr$CaCu$O$_8+delta$(BSCCO)の研究のための強力な非侵襲ツールとしてのダイヤモンド中の窒素空孔中心
ノイズスペクトロスコピーは、バーディーン=クーパー=シュリーファー(BCS)平均場理論と一致して、準粒子が生成する低周波(GHzスケール)磁気ノイズを捕捉する。
本研究は,超伝導体における動的現象を探索するための多目的プラットフォームとして量子ノイズ分光法を確立した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.9724609654446703
- License:
- Abstract: Characterizing the low-energy dynamics of quantum materials is crucial to our understanding of strongly correlated electronic states. Yet, it remains experimentally challenging to investigate such dynamics with high spectroscopic resolution in both frequency and momentum space, particularly in two-dimensional correlated systems. Here, we leverage Nitrogen-Vacancy (NV) centers in diamond as a powerful and non-invasive tool to study thin-film Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+\delta}$ (BSCCO), revealing several distinct dynamical phenomena across the superconducting phase diagram. At zero magnetic field and low temperatures, NV depolarization ($T_1$) noise spectroscopy captures the low-frequency (GHz-scale) magnetic noise generated by nodal superconducting quasiparticle excitations, in agreement with Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) mean-field theory. Near the critical temperature $T_c \approx 90$ K, supercurrent-fluctuation-induced noise leads to a sharp reduction of the NV $T_1$. By carefully analyzing the temperature-scaling of $T_1$, we observe clear deviations from the BCS prediction, reflecting the importance of order parameter fluctuations and enabling the determination of both static and dynamical critical exponents. When a small field is applied, we detect a broad and asymmetric reduction of NV $T_1$ near $T_c$; the field-induced smearing of the transition unveils the presence of a vortex liquid phase. Finally, NV decoherence ($T_2$) noise spectroscopy allows us to characterize magnetic noise at even lower MHz-scale frequencies and obtain evidence for complex vortex-solid fluctuations well below $T_c$. Our results establish quantum 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、特に2次元相関系において、周波数空間と運動量空間の両方で高分光分解能でそのような力学を研究することは実験的に困難である。
ここでは、ダイヤモンド中の窒素空洞(NV)中心を強力で非侵襲的なツールとして利用して、薄膜Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+\delta}$(BSCCO)の研究を行い、超伝導相図におけるいくつかの異なる動的現象を明らかにする。
ゼロ磁場と低温では、NV脱分極(T_1$)ノイズスペクトロスコピーは、バーディーン=クーパー=シュリーファー(BCS)平均場理論(英語版)と一致して、能動超伝導準粒子励起によって生じる低周波(GHzスケール)磁気ノイズを捕捉する。
臨界温度$T_c \approx 90$K付近では、超電流変動誘起ノイズによりNV$T_1$が急激に減少する。
T_1$の温度スケーリングを慎重に解析することにより、BCS予測からの明確な偏差を観察し、順序パラメータ変動の重要性を反映し、静的および動的臨界指数の判定を可能にする。
小さい磁場を印加すると、NV$T_1$近くで非対称なNV$T_c$の還元が検出され、遷移の場誘起スミアリングによって渦液相の存在が明らかになる。
最後に、NVデコヒーレンス(T_2$)ノイズスペクトロスコピーにより、より低いMHzスケールの周波数での磁気ノイズを特徴づけ、T_c$よりはるかに低い複雑な渦ソリッド揺らぎの証拠を得ることができる。
本研究は, 超伝導体における動的現象を探索するための汎用プラットフォームとして量子ノイズ分光法を確立した。
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