Superconductor-insulator transition has been investigated with tuning disorder (film thickness) or magnetic field. Recent electrical transport measurements of MoGe, Ta thin films revealed an unexpected intermediate metallic phase intervening between superconducting and insulating phases in a certain range of magnetic field. The non-zero resistance values with a positive slope in dR/dT are found above a critical value of magnetic field at low temperatures. In addition, Ta thin films show intriguing development in the IV characteristics as the film thickness or magnetic field is varied. Hysteretic IV characteristic curves in a superconducting phase change into non-linear response without hysteresis when thickness or magnetic field exceeds a critical value. The non-linear response disappears finally with the advent of the insulating phase. The origin of the interesting metallic phase was not understood clearly yet and the finite resistance at low temperatures is attributed to the existence of vortex motion or fermionic quasiparticles. In this dissertation, we report the scaling behavior during the superconducting transitions in Ta thin films. Critical exponents, $\nu$ and z, are obtained in the metallic and superconducting samples with wide ranges of disorder. The critical exponents in disorder-induced metallic phase are very different from those obtained in the superconducting samples. Dynamical exponent z of the superconducting samples is found to be approximately one which is good agreement with theoretical prediction. However, z in metallic samples is found to be about 0.7, inconsistent with theoretical prediction. The irrelevant critical exponents from the scaling analysis on the metallic samples indicate that the superconductor-insulator transition cannot explain the intermediate metallic phases. Further studies on the possible scaling behavior in the Bose metal insulator transitions are necessary to understand the intermediate phase.
Negative Magneto-Resistance (MR) of 2D superconducting thin films has received attentions because the decreasing resistance with increasing magnetic field cannot be simply understood by conventional superconductivity. This behavior was ascribed to localized bosons, indicating the existence of a Bose insulator (BI) phase. We found negative MR within a range of dc current bias in tantalum thin films, whereas no negative MR appears without bias. We measured R$_{xx}$ and R$_{xy}$ simultaneously as functions of current bias and magnetic field and construct the phase diagram at T=0 limit. We found that the DC biased negative MR in Ta thin film shows substantially different characteristics from those of reported no biased negative MR. We also found that the induced BI can be understood by the vortex instability state.
2차원 초전도 얇은 박막에서 무질서와 자기장을 바꿨을때 발생하는 초전도-절연체 상전이는 오랫동안 연구되어왔다. 최근 MoGe이나 Ta 박막에서 특정 자기장과 무질서에서 예상치 못했던 도체상이 초전도상과 절연체상에서 사이에서 나타났다. 이런 예상치 못했던 도체상은 온도가 감소함에 따라 저항이 감소하다가 저온영역에서 저항이 0이 되지않고 특정한 값을 가지는 현상을 보인다. 또한 특별한 전류-전압 특성이 보고되었다. 초전도상에서는 전류가 증가할 때와 감소할 때 전압의 반응에 히스테리시스를 보이지만 도체상에서는 이러한 히스테리시스는 없어지고 비선형성을 보인다. 이러한 예상치 못했던 도체상의 원인은 아직 확실히 밝혀지지 않았지만 저온에서 보이는 유한한 저항값은 양자화된 소용돌이의 운동이나 페르미온 준입자들의 기여에 의한 것으로 여겨지고 있다. 우리는 최초로 넓은 무질서영역의 Ta 박막에서의 유한 크기 눈금바꿈 분석을 통해서 임계 지수 $\nu$ 와 z를 구하였다. 무질서에 의해 유도된 도체상의 임계 지수는 초전도상의 임계 지수와 매우 다르다. 초전도상의 동적 지수 z의 경우, 대략적으로 1로서 이론적 예측과 잘 일치한다. 반면 도체상의 동적 지수는 대략적으로 0.7로 이론적 예측과 불일치한다. 도체상에서 구해진 임계 지수가 이론값과 불일치한 다는 것은 도체상의 경우 초전도-절연체 상전이로 설명할 수 없으며, 향후 보스입자 도체의 상전이가 연구되기 위해서는 보스입자 도체-절연체 상전이에 관한 눈금바꿈 분석의 이론적 연구가 선행되어야 한다는 결론을 도출하였다.
2차원 초전도 박막에서의 음수 자기저항은 자기장이 증가함에도 불구하고 저항이 감소하는 현상으로 일반적인 초전도 현상에 대한 지식으로 이해할 수 없기때문에 많은 관심을 받아왔다. 이 현상은 국소화된 보스입자에 의한 것으로 설명되며 보스입자 절연체의 존재를 나타낸다. 우리는 직류전류가 없을 때는 음수 자기저항을 보이지 않던 Ta 박막에서 직류전류가 걸렸을 때 음수 자기저항이 나타나는 것을 발견하였다. 우리는 평행 자기저항과 수직 자기저항을 동시에 직류전류와 온도에 따라 측정하였으며 이를 통해 절대영도에서의 상도표를 만들었다. 우리는 Ta 박막에서 관측된 직류전류가 있을 때의 음수 자기저항이 직류전류가 없을 때의 음수 자기저항과 상당히 다른 특성을 보인다는 것을 밝혀냈으며, 직류전류에 의해서 유도된 보스입자 절연체가 양자화된 소용돌이의 불안정상태로 설명될 수 있음을 밝혀냈다.
