The ground states of 2D electron system were generally considered to exist only in insulation state and superconducting state. Therefore, the quantum phase transition in the superconducting thin film is expected to transition directly from the superconducting state to the insulating state depending on the physical parameters such as the magnetic field and the disorder etc. But, after a report of an intervening metallic phase in amorphous MoGe thin film, an anomalous metallic state between superconducting and insulating states has been reported in studies of quantum phase transition in various superconducting thin films. Various characteristics of quantum phase transitions in superconducting thin films, such as the presence of intervening metallic phase, were considered to depend on the nature of the disorder of the superconducting thin film. But this seems not to simply depend on sheet resistance, a general measure of disorder, but to on the intrinsic disorder characteristics of superconducting film according to material or fabrication method. Thus, for systematic study to understand anomalous metallic phase, the other physical parameter is need, not disorder.
In this dissertation, to investigate the influence of the vortex pinning effect, we have introduced the periodic hole array as strong pinning centers into tantalum thin film which is one of the representative superconducting thin films where anomalous metallic phase is observed. The low temperature transport characteristics of tantalum thin films with the same thickness but different areal number hole density were investigated. As density of holes increases, the density of the strongly pinned vortices increases because not only the density of the hole itself increases, but also the number of trapped vortices per hole increases due to the increase in the vortex-vortex repulsive force. High-density strong pinning centers affect significantly quantum vortex dynamics, so that the superconducting state expands and anomalous metallic phase is suppressed. We find that the flux distance between interstitial vortex and its adjacent flux at the respective superconducting and metallic phase boundary in perforated samples is constant regardless of areal number hole density. The result suggests that the dissipation of anomalous metallic phase is related to motion of weakly pinned interstitial vortices between holes, and that there is the critical flux distance of anomalous metal.
2D 전자 시스템의 기저 상태는 일반적으로 절연 상태 또는 초전도 상태만 존재한다고 간주되었다. 따라서, 초전도 박막에서 양자상전이는 자기장 및 무질서도 등 물리적 변수에 따라 초전도 상태에서 바로 절연 상태로 전이 될 것으로 예측되었다. 그러나, 비정질 MoGe 박막의 중간 금속상이 보고 된 후, 다양한 초전도 박막의 양자 상전이 연구에서 초전도 상태와 절연 상태 사이에 비정상적인 금속 상태가 보고되었다. 비정상적인 금속 상의 존재등 초전도 박막에서 양자 상전이의 다양한 특성은 초전도 박막의 무질서도 특성에 의존하는 것으로 간주되었다. 그러나 이것은 단순히 무질서도의 일반적인 척도인 시트저항의 크기에 의존하는 것이 아니라 재료 또는 제조 방법에 따른 초전도 막의 본질적인 무질서도 특성에 의존하는 것으로 보인다. 따라서 비정상적인 금속상의 이해를 위한 체계적인 연구에는 무질서도가 아닌 다른 물리적 변수가 필요하다.
이 논문에서, 양자소용돌이 국소화 효과의 영향을 조사하기 위해, 비정상적인 금속상이 관찰되는 대표적인 초전도 박막 중 하나인 탄탈 박막에 강한 피닝 센터로서 주기적인 구멍 배열를 도입 하였다. 두께는 같지만 구멍 밀도가 다른 탄탈륨 박막의 저온 전도 특성을 조사 하였다. 구멍 밀도가 증가함에 따라, 구멍 자체의 밀도가 증가 할뿐만 아니라, 구멍당 포획 된 양자소용돌이의 개수가 증가하기 때문에 강하게 고정 된 와류의 밀도는 증가한다. 밀도가 높은 강한 피닝 센터는 양자 소용돌이 역학에 상당한 영향을 미치므로 초전도 상태가 확장되고 비정상적인 금속 상이 억제된다. 우리는 천공 된 샘플에서 각각의 초전도 상과 금속 상 경계에서 간극 양자소용돌이와 그 인접 자속 사이의 자속 거리는 구멍 밀도에 관계없이 일정하다는 것을 발견했다. 이 결과는 비정상적인 금속상의 소산이 구멍 사이에 약하게 고정 된 간극 양자 소용돌이의 운동과 관련이 있으며, 비정상적인 금속상의 임계 자속 거리가 있음을 시사한다.
