Przełom kwantowy odkrywa ukrytą naturę nadprzewodników

Efekt termiczny ukazuje pełny obraz wahań nadprzewodnictwa.

Słabe wahania nadprzewodnictwa,^[1] Zjawisko nadprzewodnictwa udało się odkryć grupie badawczej w Tokijskim Instytucie Technologii (Tokyo Tech). Osiągnięto to poprzez pomiar efektu termicznego^[2] W nadprzewodnikach w szerokim zakresie pól magnetycznych i w szerokim zakresie temperatur od znacznie powyżej temperatury przejścia nadprzewodnictwa do bardzo niskich temperatur bliskich Zero absolutne.

Ujawniło to pełny obraz wahań nadprzewodnictwa w zależności od temperatury i pola magnetycznego oraz wykazało pochodzenie anomalnego stanu metalicznego w polach magnetycznych, co stanowiło nierozwiązany problem w dziedzinie nadprzewodnictwa 2D.^[3] Od 30 lat istnieje krytyczny punkt kwantowy^[4] Gdzie fluktuacje kwantowe są najsilniejsze.

Zrozumienie nadprzewodników

Nadprzewodnik to materiał, w którym elektrony łączą się w pary w niskich temperaturach, co powoduje zerowy opór elektryczny. Jest stosowany jako materiał na potężne elektromagnesy w medycznym rezonansie magnetycznym i innych zastosowaniach. Mają one również kluczowe znaczenie jako małe elementy logiczne w komputerach kwantowych działających w niskich temperaturach, dlatego istnieje potrzeba wyjaśnienia właściwości nadprzewodników niskotemperaturowych w przypadku ich miniaturyzacji.

Atomowo cienkie nadprzewodniki 2D podlegają silnym wahaniom i dlatego wykazują właściwości znacznie różniące się od właściwości grubszych nadprzewodników. Istnieją dwa rodzaje fluktuacji: termiczne (klasyczne), które są bardziej widoczne w wysokich temperaturach i kwantowe, które są bardziej znaczące w bardzo niskich temperaturach, przy czym te ostatnie powodują szereg interesujących zjawisk.

Na przykład, gdy do dwuwymiarowego nadprzewodnika przyłożone jest pole magnetyczne prostopadłe do zera absolutnego i rosnące, następuje przejście od nadprzewodnika o zerowej rezystancji do izolatora ze zlokalizowanymi elektronami. Zjawisko to nazywane jest przejściem izolatora nadprzewodzącego indukowanym polem magnetycznym i jest typowym przykładem kwantowego przejścia fazowego^[4] Spowodowane fluktuacjami kwantowymi.

Rysunek 1. (Po lewej) W mezoskalowym polu magnetycznym linie strumienia magnetycznego przebijają się w postaci defektów, którym towarzyszą wiry prądów nadprzewodzących. (w środku) Schemat koncepcyjny stanu „fluktuacji nadprzewodnictwa”, prekursora nadprzewodnictwa. Tworzą się zmieniające się w czasie, niejednorodne przestrzennie, przypominające bąbelki obszary nadprzewodzące. (Po prawej) Schematyczny diagram pomiaru efektu cieplnego. Ruch linii strumienia magnetycznego i wahania nadprzewodnictwa generują napięcie prostopadłe do przepływu ciepła (gradient temperatury). Źródło: Koichiro Inaga

Jednakże od lat 90. XX wieku wiadomo, że w przypadku próbek o stosunkowo słabych efektach lokalizacyjnych w pośrednim obszarze pola magnetycznego, gdzie rezystancja elektryczna jest o kilka rzędów wielkości niższa od stanu normalnego, pojawia się anomalny stan metaliczny. Uważa się, że przyczyną tego anomalnego stanu metalicznego jest stan podobny do cieczy, w którym linie strumienia magnetycznego (rysunek 1 po lewej) penetrujące nadprzewodnik są poruszane przez fluktuacje kwantowe.

Jednakże przewidywanie to nie zostało udowodnione, ponieważ większość poprzednich eksperymentów z nadprzewodnikami 2D wykorzystywała pomiary rezystancji elektrycznej, które badały reakcję napięcia na prąd, co utrudniało rozróżnienie między sygnałami napięciowymi powstającymi w wyniku ruchu linii strumienia magnetycznego a sygnałami powstającymi w wyniku rozpraszania elektronów o przewodnictwie normalnym.

Zespół badawczy kierowany przez adiunkta Koichiro Inagę i profesora Satoshi Okumę z Wydziału Fizyki Wydziału Nauk Naukowych Uniwersytetu Technologicznego w Tokio poinformował w Listy z przeglądu fizycznego 2020 Kwantowy ruch linii strumienia magnetycznego zachodzi w anomalnym stanie metalicznym przy wykorzystaniu efektu termoelektrycznego, podczas którego generowane jest napięcie elektryczne w zależności od przepływu ciepła (gradient temperatury), a nie prądu.

Aby jednak dokładniej wyjaśnić pochodzenie anomalnego stanu metalicznego, konieczne jest wyjaśnienie mechanizmu, dzięki któremu stan nadprzewodzący ulega zniszczeniu w wyniku fluktuacji kwantowej i przejścia do stanu normalnego (izolującego). W tym badaniu przeprowadzili pomiary mające na celu wykrycie stanu fluktuacji nadprzewodnictwa (środek rys. 1), czyli stanu poprzedzającego nadprzewodnictwo, które, jak się uważa, występuje w stanie naturalnym.

Rysunek 2. Pełny obraz wahań nadprzewodnictwa ujawnia się w szerokim zakresie pola magnetycznego i w szerokim zakresie temperatur, od znacznie powyżej temperatury przejścia w nadprzewodnictwo do tak niskich jak 0,1 K. Po raz pierwszy wykazano istnienie linii przecięcia ciepła (klasycznego) i fluktuacji kwantowych i stwierdzono, że kwantowy punkt krytyczny, w którym linia ta osiąga zero absolutne, znajduje się w anomalnym obszarze metalicznym. Źródło: Koichiro Inaga

Osiągnięcia i techniki badawcze

W tym badaniu molibden i german (Mo_SOjej_1-S) cienkiS O amorficznej strukturze,^[5] Znany jako dwuwymiarowy nadprzewodnik o jednolitej i chaotycznej strukturze, został wyprodukowany i zastosowany. Ma grubość 10 nanometrów (jeden nanometr to jedna miliardowa metra) i może powodować efekty fluktuacji charakterystyczne dla systemów 2D.

Ponieważ sygnałów fluktuacji nie można wykryć za pomocą pomiarów rezystancji elektrycznej, ponieważ są one ukryte w sygnale rozproszenia elektronów przewodnictwa normalnego, przeprowadziliśmy pomiary efektu termoelektrycznego, które mogą wykryć dwa rodzaje fluktuacji: (1) fluktuacje nadprzewodnictwa (wahania pojemności nadprzewodnictwa) i ( 2) Ruch linii strumienia magnetycznego (wahania w fazie nadprzewodzącej).

Kiedy w kierunku wzdłużnym próbki przyłożona jest różnica temperatur, wahania nadprzewodnictwa i ruch linii strumienia magnetycznego generują napięcie w kierunku poprzecznym. Natomiast normalny ruch elektronów generuje napięcie głównie w kierunku wzdłużnym. Zwłaszcza w próbkach takich jak materiały amorficzne, w których elektrony nie poruszają się łatwo, napięcie generowane przez elektrony w kierunku poprzecznym jest małe, więc sam udział fluktuacji można selektywnie wykryć poprzez pomiar napięcia poprzecznego (rysunek 1, po prawej).

Efekt termoelektryczny mierzono w różnych polach magnetycznych i w różnych temperaturach w zakresie od znacznie powyżej temperatury przejścia w nadprzewodnictwo wynoszącej 2,4 kelwina (K) do zaledwie 0,1 K (1/3000 z 300 K, ° temperatura pokojowa) , czyli blisko zera absolutnego. To pokazuje, że fluktuacje nadprzewodnictwa pozostają obecne nie tylko w ciekłym obszarze strumienia magnetycznego (ciemnoczerwony obszar na rysunku 2), gdzie fluktuacje fazy nadprzewodnictwa są najbardziej widoczne, ale także w szerokim obszarze pola magnetycznego temperatury położonym dalej na zewnątrz, który jest uważany za obszar stanu normalnego, w którym nadprzewodnictwo ulega zniszczeniu (obszar silnego pola magnetycznego i wysokiej temperatury powyżej górnej wypukłej linii ciągłej na rysunku 2). Warto zauważyć, że po raz pierwszy udało się odkryć linię przecięcia pomiędzy fluktuacjami termicznymi (klasycznymi) i kwantowymi (gruba linia ciągła na rysunku 2).

Wartość pola magnetycznego, gdy linia przecięcia osiąga zero absolutne, prawdopodobnie odpowiada kwantowemu punktowi krytycznemu, w którym fluktuacje kwantowe są najsilniejsze, a punkt ten (białe kółko na rysunku 2) wyraźnie leży w zakresie pola magnetycznego, w którym występuje anomalny stan metaliczny. Zaobserwowano to w oporze elektrycznym. Istnienie tego kwantowego punktu krytycznego nie zostało dotychczas wykryte na podstawie pomiarów rezystancji elektrycznej.

Wynik ten pokazuje, że anomalny stan metaliczny w polu magnetycznym w temperaturze zera absolutnego w nadprzewodnikach 2D, który pozostaje nierozwiązany od 30 lat, wynika z istnienia kwantowego punktu krytycznego. Innymi słowy, anomalny stan metaliczny jest rozszerzonym kwantowo-krytycznym stanem podstawowym dla przejścia od nadprzewodnika do izolatora.

Konsekwencje

Pomiary efektu termoelektrycznego uzyskane dla konwencjonalnych nadprzewodników amorficznych można uznać za standardowe dane dotyczące efektu termoelektrycznego na nadprzewodnikach, ponieważ oddają one efekt wahań nadprzewodnictwa bez udziału elektronów w stanie normalnym. Efekt cieplny jest ważny z punktu widzenia jego zastosowania w elektrycznych układach chłodniczych itp. i istnieje potrzeba opracowania materiałów, które wykazują znaczny efekt termiczny w niskich temperaturach, aby wydłużyć maksymalne temperatury chłodzenia. W przypadku niektórych nadprzewodników donoszono o niezwykle dużych efektach termoelektrycznych w niskich temperaturach, a porównanie z istniejącymi danymi może dostarczyć wskazówki co do ich źródła.

Przyszły rozwój

Jednym z zainteresowań akademickich, które należy rozwinąć w tym badaniu, jest wyjaśnienie teoretycznej prognozy, że w nadprzewodnikach 2D o silniejszych efektach lokalizacyjnych niż w niniejszej próbce linie strumienia magnetycznego będą w stanie skondensowanym kwantowo6. W przyszłości planujemy opublikować eksperymenty wykorzystujące metody tego badania, aby się tego dowiedzieć.

Wyniki tego badania opublikowano w Internecie w Komunikacja przyrodnicza 16 marca 2024 r.

warunki

1. Wahania nadprzewodnictwa: Siła nadprzewodnictwa nie jest jednolita i zmienia się w czasie i przestrzeni. Występowanie fluktuacji termicznych jest zjawiskiem normalnym, ale w pobliżu zera absolutnego fluktuacje kwantowe powstają w oparciu o zasadę nieoznaczoności mechaniki kwantowej.
2. Efekt termiczny: Wpływ wymiany energii cieplnej i elektrycznej. Napięcie powstaje po przyłożeniu różnicy temperatur, natomiast różnica temperatur powstaje po przyłożeniu napięcia. Ten pierwszy jest badany pod kątem zastosowania jako urządzenie do wytwarzania energii, a drugi jako urządzenie chłodzące. W tym badaniu wykorzystano go jako sposób na wykrycie wahań nadprzewodnictwa.
3. Nadprzewodnictwo 2D: Ultracienki nadprzewodnik. Kiedy grubość staje się mniejsza niż odległość między parami elektronów odpowiedzialnych za nadprzewodnictwo, efekt wahań nadprzewodnictwa staje się silniejszy, a właściwości nadprzewodników są zupełnie inne niż nadprzewodników grubszych.
4. Kwantowy punkt krytyczny, kwantowe przejście fazowe: Przejście fazowe, które zachodzi w temperaturze zera absolutnego, gdy zmienia się parametr taki jak pole magnetyczne, nazywane jest kwantowym przejściem fazowym i różni się od przejścia fazowego spowodowanego zmianą temperatury. Kwantowy punkt krytyczny to punkt przejścia fazowego, w którym następuje kwantowe przejście fazoweS Występują tam, gdzie fluktuacje kwantowe są najsilniejsze.
5. Struktura amorficzna: Struktura materii, w której atomy są ułożone nieregularnie i nie mają struktury krystalicznej.
6. Skondensowany stan kwantowy: Stan, w którym duża liczba cząstek znajduje się w najniższym stanie energetycznym i zachowuje się jak pojedyncza fala makroskopowa. W nadprzewodnictwie wiele par elektronów ulega kondensacji. Ciekły hel również skrapla się po schłodzeniu do 2,17 K, co zapewnia doskonałą płynność i brak lepkości.

Odniesienie: „Rozszerzony krytyczny kwantowy stan podstawowy w nieuporządkowanej nadprzewodzącej cienkiej warstwie” autorstwa Koichiro Inagi, Yutaki Tamoto, Masahiro Yody, Yuki Yoshimury, Takahiro Ishigami i Satoshi Okuma, 16 marca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7