超薄粒状金属薄膜における超伝導の発現

スズ(Sn)、鉛(Pb)、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)の超薄膜における超伝導の進展が、厚さや温度の関数として検討された。薄膜は、18 K未満の温度に保持された基板上に蒸気からの凝縮によって段階的に成長させられた。各金属において、通常状態のシート抵抗R₍がh/4e²、または6.45 kΩに近い値を下回ったときに、全体的な超伝導性またはゼロの電気抵抗が見られた。この観察結果は、厚さや転移温度などの構造的または材料的パラメータとは無関係であった。非ゼロ抵抗を持つ超伝導の前証拠である局所的超伝導は、薄膜成長の初期段階で発見された。超伝導振る舞いのすべての証拠は、通常状態の抵抗率が200 Ω-cmを超え、厚さに応じて急速に変化している範囲の固体転移温度に近い温度で観察された。これは、薄膜がトンネリング接合によって接続された完全な超伝導粒子から構成されていることを示唆している。接合パラメータの広範な分布によって表される強い不規則性は、弱い不規則性として再正規化できる。したがって、ジョセフソン接合によって結びつけられた超伝導サイトの規則的配列に基づいた理論的計算は関連性があるように思われる。薄膜の極端な薄さは、非常に小さな接合キャパシタンスを意味し、それが超伝導オーダーパラメータの位相差の大きな量子揺らぎを引き起こす。超伝導に対するほぼ普遍的な抵抗閾値を説明する2つの理論のクラスが現れた。両方のクラスは、これらの量子揺らぎの消失に関与している。接合キャパシタンスが非常に小さい限界では、閾値はh/4e²に近い抵抗値で発生し、キャパシタンスおよびエネルギーギャップには本質的に依存せず、実験データと良い合致を示している。観察された薄膜の低温抵抗が、抵抗閾値よりわずかに上の通常状態のシート抵抗と規則的に変化することを説明するモデルは存在しない。