Квантовият пробив разкрива скритата природа на свръхпроводниците

Топлинният ефект разкрива пълната картина на флуктуациите в свръхпроводимостта.

Слаби флуктуации в свръхпроводимостта,^[1] Феноменът на свръхпроводимостта беше успешно открит от изследователска група в Токийския технологичен институт (Tokyo Tech). Това постижение е постигнато чрез измерване на топлинния ефект^[2] В свръхпроводници в широк диапазон от магнитни полета и в широк диапазон от температури от много над температурата на свръхпроводящ преход до много ниски температури близо до Абсолютна нула.

Това разкри пълната картина на колебанията в свръхпроводимостта по отношение на температурата и магнитното поле и демонстрира произхода на аномалното метално състояние в магнитните полета, което беше нерешен проблем в областта на 2D свръхпроводимостта.^[3] В продължение на 30 години съществува критична квантова точка^[4] Там, където квантовите флуктуации са най-силни.

Разбиране на свръхпроводниците

Свръхпроводникът е материал, в който електроните се сдвояват при ниски температури, което води до нулево електрическо съпротивление. Използва се като материал за мощни електромагнити в медицински ЯМР и други приложения. Те също са от решаващо значение като малки логически елементи в квантовите компютри, които работят при ниски температури, и има нужда да се изяснят свойствата на нискотемпературните свръхпроводници, когато те са миниатюризирани.

Атомно тънките 2D свръхпроводници са силно повлияни от флуктуации и по този начин показват свойства, които се различават значително от тези на по-дебелите свръхпроводници. Има два вида флуктуации: термични (класически), които са по-изразени при високи температури, и квантови, които са по-значими при много ниски температури, като последните причиняват различни интересни явления.

Например, когато магнитно поле се прилага перпендикулярно на двуизмерен свръхпроводник при абсолютна нула и нараства, възниква преход от свръхпроводник с нулево съпротивление към изолатор с локализирани електрони. Това явление се нарича индуциран от магнитно поле свръхпроводящ изолационен преход и е типичен пример за квантов фазов преход^[4] Причинени от квантови флуктуации.

Фигура 1. (Вляво) В мезомащабно магнитно поле линиите на магнитния поток пробиват под формата на дефекти, придружени от вихри на свръхпроводящи токове. (Център) Концептуална диаграма на състоянието „флуктуация на свръхпроводимост“, предшественик на свръхпроводимостта. Образуват се променящи се във времето, пространствено нееднородни, подобни на мехурчета свръхпроводящи области. (Вдясно) Схематична диаграма на измерване на топлинния ефект. Движението на линията на магнитния поток и флуктуациите на свръхпроводимостта генерират напрежение, перпендикулярно на топлинния поток (температурен градиент). Кредит: Коичиро Инага

От 90-те години на миналия век обаче е известно, че за проби с относително слаби локализационни ефекти се появява аномално метално състояние в областта на междинното магнитно поле, където електрическото съпротивление е с няколко порядъка по-ниско от нормалното състояние. Смята се, че произходът на това аномално метално състояние е състояние, подобно на течност, в което линиите на магнитния поток (Фигура 1 вляво), които проникват в свръхпроводника, се преместват от квантови флуктуации.

Тази прогноза обаче не е доказана, тъй като повечето предишни експерименти върху 2D свръхпроводници използваха измервания на електрическо съпротивление, които изследват реакцията на напрежението към тока, което затруднява разграничаването на сигналите на напрежение, произтичащи от движението на линиите на магнитния поток, и тези, произтичащи от разсейването на електрони с нормална проводимост.

Изследователски екип, ръководен от асистент Коичиро Инага и професор Сатоши Окума от катедрата по физика, Факултета по природни науки, Токийския технически университет, съобщи в Писма за физически преглед 2020 Квантовото движение на линиите на магнитния поток възниква в аномално метално състояние, използвайки термоелектричния ефект, където се генерира електрическо напрежение по отношение на топлинния поток (температурен градиент), а не ток.

Въпреки това, за по-нататъшно изясняване на произхода на аномалното метално състояние, е необходимо да се изясни механизмът, чрез който свръхпроводящото състояние се разрушава от квантова флуктуация и преминава към нормалното (изолиращо) състояние. В това изследване те извършиха измервания, насочени към откриване на флуктуационното състояние на свръхпроводимостта (центъра на Фигура 1), състояние на предшественик на свръхпроводимостта, за което се смята, че съществува в естествено състояние.

Фигура 2. Пълната картина на флуктуациите в свръхпроводимостта се разкрива в широк диапазон на магнитното поле и в широк диапазон от температури, от много над температурата на свръхпроводящ преход до толкова ниска, колкото 0,1 К. Съществуването на линия на пресичане между топлина (класически) и квантови флуктуации беше демонстрирано за първи път и беше установено, че квантовата критична точка, в която тази линия достига абсолютната нула, се намира в аномалната метална област. Кредит: Коичиро Инага

Научни постижения и техники

В това изследване, молибден германий (Mo_сБоже_1-с) тънъкс С аморфна структура,^[5] Известен като двуизмерен свръхпроводник с еднаква и хаотична структура, той е произведен и използван. Той е с дебелина 10 нанометра (един нанометър е една милиардна част от метъра) и обещава да има флуктуационни ефекти, характерни за 2D системите.

Тъй като сигналите на флуктуация не могат да бъдат открити чрез измерване на електрическо съпротивление, тъй като те са заровени в сигнала на разсейване на електрони с нормална проводимост, ние извършихме измервания на термоелектричния ефект, който може да открие два вида флуктуации: (1) флуктуации на свръхпроводимост (флуктуации в капацитета на свръхпроводимост) и ( 2) Движение на линията на магнитния поток (флуктуации в свръхпроводящата фаза).

Когато се прилага температурна разлика в надлъжната посока на пробата, флуктуациите на свръхпроводимостта и движението на линиите на магнитния поток генерират напрежение в напречна посока. Обратно, нормалното движение на електрони генерира напрежение главно в надлъжна посока. Особено в проби като аморфни материали, където електроните не се движат лесно, напрежението, генерирано от електроните в напречна посока, е малко, така че само приносът на флуктуацията може да бъде открит селективно чрез измерване на напречното напрежение (Фигура 1, вдясно).

Термоелектричният ефект е измерен в различни магнитни полета и при различни температури, вариращи от много над температурата на преход на свръхпроводимост от 2,4 келвина (K) до много ниска температура от 0,1 K (1/3000 от 300 K, ° стайна температура), която е близка до абсолютната нула. Това разкрива, че флуктуациите на свръхпроводимостта остават налични не само в течната област на магнитния поток (тъмночервена област на Фигура 2), където флуктуациите на свръхпроводящата фаза са най-изразени, но също и в широка област на температурното магнитно поле по-навън, което е счита се за област на нормално състояние, където свръхпроводимостта е разрушена (областта на силно магнитно поле и висока температура над горната изпъкнала плътна линия на фигура 2). Трябва да се отбележи, че пресечната линия между топлинни (класически) и квантови флуктуации беше успешно открита за първи път (дебела плътна линия на фигура 2).

Стойността на магнитното поле, когато пресечната линия достигне абсолютната нула, вероятно съответства на квантовата критична точка, където квантовите флуктуации са най-силни, и тази точка (бял кръг на Фигура 2) ясно се намира в обхвата на магнитното поле, където съществува аномално метално състояние. Наблюдава се при електрическо съпротивление. Съществуването на тази квантова критична точка не е открито от измервания на електрическо съпротивление досега.

Този резултат разкрива, че аномалното метално състояние в магнитното поле при абсолютна нула в 2D свръхпроводници, което остава неразрешено в продължение на 30 години, възниква от съществуването на квантова критична точка. С други думи, аномалното метално състояние е разширено квантово критично основно състояние за прехода от свръхпроводник към изолатор.

Разклонения

Измерванията на термоелектричния ефект, получени за конвенционални аморфни свръхпроводници, могат да се считат за стандартни данни за термоелектричния ефект върху свръхпроводниците, тъй като те улавят ефекта от флуктуациите в свръхпроводимостта без приноса на електрони в нормално състояние. Топлинният ефект е важен по отношение на приложението му в електрически хладилни системи и т.н. и има нужда от разработване на материали, които проявяват значителен топлинен ефект при ниски температури, за да се удължат максималните температури на охлаждане. Докладвани са необичайно големи термоелектрични ефекти при ниски температури в някои свръхпроводници и сравнението със съществуващите данни може да даде ключ към техния източник.

Бъдещи развития

Един от академичните интереси, които трябва да бъдат развити в това изследване, е да се изясни теоретичната прогноза, че в 2D свръхпроводници с по-силни локализационни ефекти от настоящата проба, линиите на магнитния поток ще бъдат в квантово кондензирано състояние6. Занапред планираме да публикуваме експерименти, използвайки методите на това проучване, за да разберем.

Резултатите от това проучване са публикувани онлайн в Nature Communications На 16.03.2024г.

условия

1. Флуктуации в свръхпроводимостта: Силата на свръхпроводимостта не е еднаква и варира във времето и пространството. Нормално е да се появят топлинни флуктуации, но близо до абсолютната нула възникват квантови флуктуации въз основа на принципа на неопределеността на квантовата механика.
2. Топлинен ефект: Ефект от обмена на топлинна и електрическа енергия. Напрежение се генерира, когато се приложи температурна разлика, докато температурна разлика се генерира, когато се приложи напрежение. Първият се проучва за използване като устройство за генериране на електроенергия, а вторият като охлаждащо устройство. В това изследване той е използван като начин за откриване на колебания в свръхпроводимостта.
3. 2D свръхпроводимост: Ултратънък свръхпроводник. Когато дебелината стане по-малка от разстоянието между двойките електрони, отговорни за свръхпроводимостта, ефектът от флуктуациите в свръхпроводимостта става по-силен и свойствата на свръхпроводниците са напълно различни от тези на по-дебелите свръхпроводници.
4. Квантова критична точка, квантов фазов преход: Фазовият преход, който възниква при абсолютна нула, когато параметър като магнитното поле се промени, се нарича квантов фазов преход и се разграничава от фазовия преход, причинен от промяна на температурата. Квантовата критична точка е точката на фазов преход, където се извършва квантовият фазов преходс Те възникват там, където квантовите флуктуации са най-силни.
5. Аморфна структура: Структура на материята, в която атомите са подредени по неправилен начин и нямат кристална структура.
6. Кондензирано квантово състояние: Състояние, при което голям брой частици са в най-ниско енергийно състояние и се държат като единична макроскопична вълна. При свръхпроводимостта много двойки електрони са кондензирани. Течният хелий също кондензира, когато се охлади до 2,17 K, което води до превъзходна течливост без лепкавост.

Справка: „Разширено квантово критично основно състояние в неподреден свръхпроводящ тънък филм“ от Коичиро Инага, Ютака Тамото, Масахиро Йода, Юки Йошимура, Такахиро Ишигами и Сатоши Окума, 16 март 2024 г., Nature Communications.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7