Квантовий прорив відкриває приховану природу надпровідників

Тепловий ефект розкриває повну картину флуктуацій надпровідності.

Слабкі флуктуації надпровідності,^[1] Явище надпровідності було успішно відкрито дослідницькою групою Токійського технологічного інституту (Tokyo Tech). Цей подвиг був досягнутий шляхом вимірювання теплового ефекту^[2] У надпровідниках у широкому діапазоні магнітних полів і в широкому діапазоні температур від значно вище температури надпровідного переходу до дуже низьких температур поблизу Абсолютний нуль.

Це розкрило повну картину флуктуацій надпровідності залежно від температури та магнітного поля та продемонструвало походження аномального металевого стану в магнітних полях, що було невирішеною проблемою в галузі 2D-надпровідності.^[3] Протягом 30 років існує критична квантова точка^[4] Там, де квантові коливання найсильніші.

Розуміння надпровідників

Надпровідник — це матеріал, у якому електрони спаровуються при низьких температурах, що призводить до нульового електричного опору. Він використовується як матеріал для потужних електромагнітів у медичній МРТ та інших застосуваннях. Вони також мають вирішальне значення як малі логічні елементи в квантових комп’ютерах, які працюють при низьких температурах, і існує необхідність з’ясувати властивості низькотемпературних надпровідників, коли вони мініатюрні.

Атомарно тонкі двовимірні надпровідники сильно залежать від флуктуацій і тому виявляють властивості, які значно відрізняються від властивостей більш товстих надпровідників. Існує два типи флуктуацій: теплові (класичні), які більш виражені при високих температурах, і квантові, які є більш значними при дуже низьких температурах, останні викликають різноманітні цікаві явища.

Наприклад, коли магнітне поле прикладено перпендикулярно до двовимірного надпровідника при абсолютному нулі і зростає, відбувається перехід від надпровідника з нульовим опором до ізолятора з локалізованими електронами. Це явище називається індукованим магнітним полем надпровідним ізоляторним переходом і є типовим прикладом квантового фазового переходу^[4] Викликані квантовими флуктуаціями.

Малюнок 1. (Ліворуч) У мезомасштабному магнітному полі лінії магнітного потоку прориваються у вигляді дефектів, що супроводжуються завихреннями надпровідних струмів. (У центрі) Концептуальна діаграма стану «флуктуації надпровідності», попередника надпровідності. Утворюються змінні в часі просторово неоднорідні бульбашкоподібні надпровідні області. (Справоруч) Принципова схема вимірювання теплового ефекту. Рух лінії магнітного потоку та флуктуації надпровідності створюють напругу, перпендикулярну тепловому потоку (градієнт температури). Авторство: Коічіро Інага

Проте з 1990-х років було відомо, що для зразків із відносно слабкими ефектами локалізації аномальний металевий стан з’являється в області проміжного магнітного поля, де електричний опір на кілька порядків нижче нормального стану. Вважається, що походження цього аномального металевого стану є рідиноподібним станом, у якому лінії магнітного потоку (Малюнок 1 зліва), що пронизують надпровідник, переміщуються квантовими флуктуаціями.

Однак це передбачення не було підтверджено, оскільки більшість попередніх експериментів із двовимірними надпровідниками використовували вимірювання електричного опору, які досліджували реакцію напруги на струм, що ускладнювало розрізнення між сигналами напруги, що виникають через рух ліній магнітного потоку, і сигналами, що виникають через розсіювання. електронів з нормальною провідністю.

Дослідницька група на чолі з доцентом Коічіро Інага та професором Сатоші Окума з кафедри фізики факультету природничих наук Токійського технічного університету повідомила в Листи фізичного огляду 2020 Квантовий рух ліній магнітного потоку відбувається в аномальному металевому стані за допомогою термоелектричного ефекту, коли електрична напруга генерується відносно теплового потоку (температурний градієнт), а не струму.

Однак для подальшого з’ясування походження аномального металевого стану необхідно з’ясувати механізм, за допомогою якого надпровідний стан руйнується квантовою флуктуацією та переходить у нормальний (ізолюючий) стан. У цьому дослідженні вони виконали вимірювання, спрямовані на виявлення флуктуаційного стану надпровідності (у центрі малюнка 1), стану-попередника надпровідності, який, як вважають, існує в природному стані.

Малюнок 2. Повна картина флуктуацій надпровідності розкривається в широкому діапазоні магнітних полів і в широкому діапазоні температур, починаючи від значно вище температури надпровідного переходу до 0,1 K. Було вперше продемонстровано існування лінії перетину теплових (класичних) і квантових флуктуацій, а квантова критична точка, в якій ця лінія досягає абсолютного нуля, розташована в аномальній металевій області. Авторство: Коічіро Інага

Дослідження та методика

У цьому дослідженні молібден германій (Mo_сну_1-с) тонкийс З аморфною структурою,^[5] Відомий як двовимірний надпровідник з однорідною і хаотичною структурою, він був виготовлений і використаний. Він має товщину 10 нанометрів (один нанометр дорівнює мільярдній частині метра) і обіцяє ефект флуктуації, характерний для 2D-систем.

Оскільки флуктуаційні сигнали неможливо виявити за допомогою вимірювання електричного опору, оскільки вони приховані в нормальному сигналі розсіювання електронів провідності, ми виконали вимірювання термоелектричного ефекту, який може виявити два типи флуктуацій: (1) флуктуації надпровідності (флуктуації ємності надпровідності) і ( 2) Переміщення лінії магнітного потоку (флуктуації в надпровідній фазі).

Коли різниця температур прикладена в поздовжньому напрямку зразка, флуктуації надпровідності і рух ліній магнітного потоку породжують напругу в поперечному напрямку. Навпаки, нормальний рух електронів створює напругу в основному в поздовжньому напрямку. Особливо в таких зразках, як аморфні матеріали, де електрони не рухаються легко, напруга, що генерується електронами в поперечному напрямку, невелика, тому флуктуаційний внесок може бути вибірково виявлений шляхом вимірювання поперечної напруги (Малюнок 1, праворуч).

Термоелектричний ефект було виміряно в різних магнітних полях і при різних температурах від значно вище температури переходу надпровідності 2,4 кельвіна (К) до 0,1 К (1/3000 від 300 К, ° кімнатної температури) , що близьке до абсолютного нуля. Це показує, що флуктуації надпровідності залишаються присутніми не лише в рідкому регіоні магнітного потоку (темно-червона область на малюнку 2), де флуктуації надпровідної фази найбільш очевидні, але також у широкій області температурного магнітного поля, розташованого далі назовні. вважається областю нормального стану, де надпровідність руйнується (область сильного магнітного поля та високої температури над верхньою опуклою суцільною лінією на малюнку 2). Примітно, що вперше була успішно виявлена ​​лінія перетину теплових (класичних) і квантових флуктуацій (товста суцільна лінія на малюнку 2).

Значення магнітного поля, коли лінія перетину досягає абсолютного нуля, ймовірно, відповідає квантовій критичній точці, де квантові флуктуації є найсильнішими, і ця точка (біле коло на малюнку 2) явно лежить у діапазоні магнітного поля, де існує аномальний металевий стан. Це спостерігалося в електричному опорі. Існування цієї квантової критичної точки досі не було виявлено за допомогою вимірювань електричного опору.

Цей результат показує, що аномальний металевий стан у магнітному полі при абсолютному нулі в 2D-надпровідниках, який залишався невирішеним протягом 30 років, виникає через існування квантової критичної точки. Іншими словами, аномальний металевий стан є розширеним квантовим критичним основним станом для переходу від надпровідника до ізолятора.

Розгалуження

Вимірювання термоелектричного ефекту, отримані для звичайних аморфних надпровідників, можна вважати стандартними даними для термоелектричного ефекту надпровідників, оскільки вони фіксують ефект флуктуацій надпровідності без внеску електронів нормального стану. Тепловий ефект є важливим з точки зору його застосування в електричних холодильних системах тощо, і існує потреба в розробці матеріалів, які виявляють значний тепловий ефект при низьких температурах, щоб збільшити максимальні температури охолодження. Повідомлялося про незвично великі термоелектричні ефекти при низьких температурах у деяких надпровідниках, і порівняння з існуючими даними може дати ключ до їх джерела.

Майбутній розвиток подій

Одним із наукових інтересів, які мають бути розроблені в цьому дослідженні, є уточнення теоретичного передбачення того, що в 2D надпровідниках з сильнішими ефектами локалізації, ніж у даному зразку, лінії магнітного потоку будуть у квантово конденсованому стані6. У майбутньому ми плануємо опублікувати експерименти, використовуючи методи цього дослідження, щоб з’ясувати це.

Результати цього дослідження були опубліковані в мережі Комунікації природи 16 березня 2024р.

умови

1. Флуктуації надпровідності: Сила надпровідності неоднакова і коливається в часі та просторі. Теплові флуктуації є нормальними, але поблизу абсолютного нуля виникають квантові флуктуації на основі принципу невизначеності квантової механіки.
2. Тепловий ефект: Ефект обміну теплової та електричної енергії. Напруга генерується, коли прикладається різниця температур, тоді як різниця температур створюється, коли прикладається напруга. Перший вивчається для використання як пристрій для вироблення електроенергії, а другий – як пристрій для охолодження. У цьому дослідженні він використовувався як спосіб виявлення флуктуацій надпровідності.
3. 2D надпровідність: Надтонкий надпровідник. Коли товщина стає меншою за відстань між парами електронів, відповідальними за надпровідність, вплив флуктуацій надпровідності стає сильнішим, і властивості надпровідників повністю відрізняються від властивостей більш товстих надпровідників.
4. Квантова критична точка, квантовий фазовий перехід: Фазовий перехід, який відбувається при абсолютному нулі, коли змінюється такий параметр, як магнітне поле, називається квантовим фазовим переходом і відрізняється від фазового переходу, викликаного зміною температури. Квантова критична точка – це точка фазового переходу, де відбувається квантовий фазовий перехідс Вони виникають там, де квантові флуктуації найсильніші.
5. Аморфна структура: Структура речовини, в якій атоми розташовані нерегулярно і не мають кристалічної структури.
6. Конденсований квантовий стан: Стан, за якого велика кількість частинок перебуває в найнижчому енергетичному стані та поводиться як єдина макроскопічна хвиля. У надпровідності багато пар електронів є конденсованими. Рідкий гелій також конденсується при охолодженні до 2,17 K, що забезпечує чудову текучість без липкості.

Довідка: «Розширений квантовий критичний основний стан у невпорядкованій надпровідній тонкій плівці» Коічіро Інага, Ютака Тамото, Масахіро Йода, Юкі Йосімура, Такахіро Ішігамі та Сатоші Окума, 16 березня 2024 р., Комунікації природи.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7