Квантни пробој открива скривену природу суперпроводника

Топлотни ефекат открива пуну слику флуктуација суперпроводљивости.

Слабе флуктуације у суперпроводљивости,^[1] Феномен суперпроводљивости је успешно открила истраживачка група на Токијском институту за технологију (Токио Тецх). Овај подвиг је постигнут мерењем топлотног ефекта^[2] У суперпроводницима у широком опсегу магнетних поља и у широком опсегу температура од знатно изнад прелазне температуре суперпроводника до веома ниских температура у близини Апсолутна нула.

Ово је открило пуну слику флуктуација у суперпроводљивости у односу на температуру и магнетно поље и показало порекло аномалног металног стања у магнетним пољима, што је био нерешен проблем у области 2Д суперпроводљивости.^[3] Већ 30 година постоји критична квантна тачка^[4] Тамо где су квантне флуктуације најјаче.

Разумевање суперпроводника

Суперпроводник је материјал у коме се електрони упарују на ниским температурама, што резултира нултим електричним отпором. Користи се као материјал за моћне електромагнете у медицинској МРИ и другим апликацијама. Они су такође кључни као мали логички елементи у квантним рачунарима који раде на ниским температурама, и постоји потреба да се разјасне својства суперпроводника на ниским температурама када су минијатуризовани.

Атомски танки 2Д суперпроводници су под снажним утицајем флуктуација и стога показују својства која се значајно разликују од оних дебљих суперпроводника. Постоје две врсте флуктуација: термичка (класична), која је израженија на високим температурама, и квантна, која је значајнија на веома ниским температурама, при чему ова друга изазива низ занимљивих појава.

На пример, када се магнетно поље примени окомито на дводимензионални суперпроводник на апсолутној нули и у порасту, долази до преласка са суперпроводника са нултим отпором на изолатор са локализованим електронима. Овај феномен се назива транзиција суперпроводног изолатора изазваног магнетним пољем и типичан је пример квантног фазног прелаза^[4] Изазван квантним флуктуацијама.

Слика 1. (лево) У мезоскалном магнетном пољу, линије магнетног флукса се пробијају у виду дефеката праћених вртлозима суперпроводљивих струја. (Центар) Концептуални дијаграм стања „флуктуације суперпроводљивости“, претходника суперпроводљивости. Формирају се временски променљиви, просторно неуједначени, суправодљиви региони попут мехурића. (Десно) Шематски дијаграм мерења топлотног ефекта. Кретање линије магнетног флукса и флуктуације суперпроводљивости стварају напон окомит на топлотни ток (температурни градијент). Заслуге: Коицхиро Инага

Међутим, од 1990-их је познато да се за узорке са релативно слабим ефектима локализације појављује аномално метално стање у средњем региону магнетног поља где је електрични отпор неколико редова величине нижи од нормалног стања. Сматра се да је порекло овог аномалног металног стања стање налик течности, у коме се линије магнетног флукса (Слика 1 лево) које продиру у суперпроводник померају квантним флуктуацијама.

Међутим, ово предвиђање није доказано јер је већина претходних експеримената на 2Д суперпроводницима користила мерења електричног отпора која испитују одговор напона на струју, што отежава разликовање између напонских сигнала који произилазе из кретања линија магнетног флукса и оних који произилазе из расејања. електрона са нормалном проводношћу.

Истраживачки тим који предводе доцент Коицхиро Инага и професор Сатосхи Окума са Одељења за физику Природно-математичког факултета Универзитета у Токију известили су Писма о физичком прегледу 2020 Квантно кретање линија магнетног флукса јавља се у аномалном металном стању коришћењем термоелектричног ефекта, где се генерише електрични напон у односу на топлотни ток (температурни градијент), а не струју.

Међутим, да би се даље разјаснило порекло аномалног металног стања, неопходно је разјаснити механизам којим се суперпроводно стање уништава квантном флуктуацијом и прелази у нормално (изолационо) стање. У овој студији, они су извршили мерења у циљу откривања флуктуационог стања суправодљивости (центар слике 1), стања претече суперпроводљивости за које се сматра да постоји у природном стању.

Слика 2. Потпуна слика флуктуација у суправодљивости је откривена у широком опсегу магнетног поља и у широком опсегу температура, од знатно изнад прелазне температуре суперпроводљивости до чак 0,1 К. Први пут је демонстрирано постојање линије пресека између топлотних (класичних) и квантних флуктуација, а утврђено је да се квантна критична тачка у којој ова линија достиже апсолутну нулу налази унутар аномалног металног региона. Заслуге: Коицхиро Инага

Истраживачка достигнућа и технике

У овој студији, молибден германијум (Мо_сБоже_1-с) танакс Са аморфном структуром,^[5] Познат као дводимензионални суперпроводник са униформном и хаотичном структуром, произведен је и коришћен. Дебео је 10 нанометара (један нанометар је милијардити део метра) и обећава да ће имати ефекте флуктуације карактеристичне за 2Д системе.

С обзиром да се флуктуациони сигнали не могу детектовати мерењима електричног отпора јер су закопани у сигналу расејања електрона нормалне проводљивости, извршили смо мерења термоелектричног ефекта, која могу детектовати две врсте флуктуација: (1) флуктуације суперпроводљивости (флуктуације у суперпроводљивом капацитету) и (2) Кретање линије магнетног флукса (флуктуације у суперпроводној фази).

Када се температурна разлика примени у уздужном правцу узорка, флуктуације суперпроводљивости и кретање линија магнетног флукса стварају напон у попречном смеру. Насупрот томе, нормално кретање електрона генерише напон углавном у уздужном правцу. Нарочито у узорцима као што су аморфни материјали, где се електрони не крећу лако, напон који генеришу електрони у попречном правцу је мали, тако да се сам допринос флуктуације може селективно детектовати мерењем попречног напона (слика 1, десно).

Термоелектрични ефекат је мерен у различитим магнетним пољима и на различитим температурама у распону од знатно изнад прелазне температуре суперпроводљивости од 2,4 келвина (К) до чак 0,1 К (1/3000 од 300 К, ° Собна температура) , што је близу апсолутне нуле. Ово открива да флуктуације суправодљивости остају присутне не само у течном региону магнетног флукса (тамноцрвена област на слици 2), где су флуктуације суперпроводне фазе најочитије, већ и у широком региону температурног магнетног поља који је удаљенији према споља. сматра се подручјем нормалног стања, где је суперпроводљивост уништена (област високог магнетног поља и високе температуре изнад горње конвексне пуне линије на слици 2). Приметно је да је пресечна линија између термичких (класичних) и квантних флуктуација успешно откривена по први пут (дебела пуна линија на слици 2).

Вредност магнетног поља када пресечна линија достигне апсолутну нулу вероватно одговара квантној критичној тачки где су квантне флуктуације најјаче, а та тачка (бели круг на слици 2) јасно лежи у опсегу магнетног поља где постоји аномално метално стање. Уочено је у електричном отпору. Постојање ове квантне критичне тачке до сада није откривено мерењима електричног отпора.

Овај резултат открива да аномално метално стање у магнетном пољу на апсолутној нули у 2Д суперпроводницима, које је остало нерешено 30 година, произилази из постојања квантне критичне тачке. Другим речима, аномално метално стање је проширено квантно критично основно стање за прелазак из суперпроводника у изолатор.

Рамифицатионс

Мерења термоелектричног ефекта добијена за конвенционалне аморфне суперпроводнике могу се сматрати стандардним подацима за термоелектрични ефекат на супрапроводнике, јер обухватају ефекат флуктуација у суправодљивости без доприноса електрона у нормалном стању. Топлотни ефекат је важан у смислу његове примене на електричне системе за хлађење итд., а постоји потреба да се развију материјали који испољавају значајан топлотни ефекат на ниским температурама како би се продужиле максималне температуре хлађења. Неуобичајено велики термоелектрични ефекти на ниским температурама су пријављени у неким суперпроводницима, а поређење са постојећим подацима може дати траг за њихов извор.

Будућа дешавања

Један од академских интереса који ће се развити у овој студији је да се разјасни теоријско предвиђање да ће у 2Д суперпроводницима са јачим ефектима локализације од садашњег узорка, линије магнетног флукса бити у квантном кондензованом стању6. У будућности, планирамо да објавимо експерименте користећи методе ове студије како бисмо сазнали.

Резултати ове студије објављени су на интернету у Натуре Цоммуницатионс Дана 16.03.2024.

Услови

1. Флуктуације у суперпроводљивости: Снага суперпроводљивости није униформна и флуктуира у времену и простору. Нормално је да се појаве топлотне флуктуације, али близу апсолутне нуле, квантне флуктуације се јављају на основу принципа несигурности квантне механике.
2. Топлотни ефекат: Утицај размене топлотне и електричне енергије. Напон се генерише када се примени температурна разлика, док се температурна разлика производи када се примени напон. Први се проучава за употребу као уређај за производњу енергије, а други као уређај за хлађење. У овој студији је коришћен као начин за откривање флуктуација у суправодљивости.
3. 2Д суперпроводљивост: Ултра танак суперпроводник. Када дебљина постане мања од растојања између парова електрона одговорних за суправодљивост, ефекат флуктуација у суперпроводљивости постаје јачи, а својства суперпроводника су потпуно другачија од оних дебљих суперпроводника.
4. Квантна критична тачка, квантна фазна транзиција: Фазни прелаз који се јавља на апсолутној нули када се промени параметар као што је магнетно поље назива се квантни фазни прелаз и разликује се од фазног прелаза изазваног променом температуре. Квантна критична тачка је тачка фазног прелаза у којој се одвија квантна фазна транзицијас Јављају се тамо где су квантне флуктуације најјаче.
5. Аморфна структура: Структура материје у којој су атоми распоређени на неправилан начин и немају кристалну структуру.
6. Кондензовано квантно стање: Стање у коме је велики број честица у најнижем енергетском стању и понашају се као један макроскопски талас. У суперпроводљивости, многи парови електрона су кондензовани. Течни хелијум се такође кондензује када се охлади на 2,17 К, што резултира супериорном флуидношћу без лепљивости.

Референца: „Проширено квантно критично основно стање у неуређеном суправодљивом танком филму“ од Коицхиро Инага, Иутака Тамото, Масахиро Иода, Иуки Иосхимура, Такахиро Исхигами и Сатосхи Окума, 16. март 2024. Натуре Цоммуницатионс.
дои: 10.1038/с41467-024-46628-7