Single Electron Tunneling Spectroscopic Study on Vortices in Cuprate Superconductors

Abstract

1986년 고온 초전도체가 발견된 이래 전 세계 수많은 연구자들이 그 원리를 규명하기 위해 수많은 노력을 해왔다. 그 중에서도 특히 터널 주사 현미경은 고온 초전도의 이해를 높이는데 많은 선도적인 역할을 해왔고, 현재도 전 세계 여러 그룹에서 많은 혁신적인 결과들을 발표하고 있다.

일반적으로 터널 주사 현미경을 이용한 초전도 시료의 측정은 액체 헬륨 온도(4.2K)에서 수행되지만, 희석 냉동기를 이용하면 mK 영역의 극저온 환경에서 시료를 측정할 수 있다. 희석 냉동기는 매우 섬세하고 복잡하여 특히 다루기 어렵고 까다로운 장비이며, 동시에 원리적으로 진동이 발생하기 쉬운 장비이다. 반면에 터널 주사 현미경은 진동에 매우 민감한 측정 장비라서, 이 두가지를 결합하는 것은 일반적으로 매우 어려운 작업이다. 우리는 이러한 어려움을 극복하고, 전 세계적으로도 드문 극저온, 초고해상도 터널 주사 현미경을 성공적으로 구현하였다.

이 터널 주사 현미경을 이용하여 극저온, 고자기장 환경에서 전하에 매우 민감한 반응성을 갖는 특별한 Coulomb blockade tip을 만들어 고온 초전도체의 볼텍스 전하 분포에 관한 연구를 수행하였다. 그 결과, 실공간 분해능으로 고온 초전도체의 볼텍스 전하를 직접적으로 처음 관찰하였으며, 또한 고온 초전도체의 볼텍스 영역에서의 전자밀도가 상대적으로 낮아짐을 확인하였다.

After the discovery of high-temperature superconductors in 1986, many researchers around the world have made numerous efforts to explain the phenomena. Especially, STM has played a leading role in improving the understanding of high-temperature superconductivity. Even now, numerous STM results are being published annually by various groups worldwide.

In general, the measurement of the superconductor using STM is performed at the liquid helium boiling temperature. However, a dilution refrigerator (DR) provides an extremely low-temperature environment for the measurements. The DR is a very delicate and complex equipment that is particularly difficult to handle, and the vibration is easily induced during its operation. On the other hand, STM is very sensitive to vibration, so combining them is a very difficult task. Nevertheless, we overcame these difficulties and realized the DR-STM successfully.

Additionally, using this DR-STM, we investigated superconducting vortices using a special Coulomb blockade tip, which is very charge sensitive, and we were able to measure the vortex charge distribution. Our result is the first direct observation of the vortex charges with a spatial resolution, and it shows that the electron density tends to be lower in vortices than in the non-vortex regions.