Kvantový prielom odhaľuje skrytú povahu supravodičov

Termoelektrický jav odhaľuje úplný obraz fluktuácií supravodivosti.

slabé kolísanie supravodivosti,^[1] Skorší fenomén supravodivosti bol úspešne zistený výskumnou skupinou na Tokijskom technologickom inštitúte (Tokyo Tech). Tento prelom sa dosiahol meraním termoelektrického efektu^[2] Supravodiče majú široký rozsah magnetických polí a široký rozsah teplôt od veľmi vysokých teplôt až po veľmi nízke teploty v blízkosti teploty supravodivého prechodu. absolútna nula,

To poskytlo úplný obraz fluktuácií supravodivosti vzhľadom na teplotu a magnetické pole a ukázalo, že magnetické pole vyvolalo anomálny kovový stav, čo bol nevyriešený problém v oblasti dvojrozmernej supravodivosti.^[3] Už 30 rokov existuje kvantový kritický bod^[4] Kde sú kvantové fluktuácie najsilnejšie.

Pochopenie supravodičov

Supravodič je materiál, v ktorom sú elektróny viazané pri nízkych teplotách, čo vedie k nulovému elektrickému odporu. Používa sa ako materiál pre výkonné elektromagnety v lekárskej MRI a iných aplikáciách. Sú tiež považované za dôležité ako drobné logické prvky v kvantových počítačoch, ktoré pracujú pri kryogénnych teplotách, a je potrebné objasniť vlastnosti supravodičov pri kryogénnych teplotách, keď sú mikrominiaturizované.

Atómovo tenké dvojrozmerné supravodiče sú silne ovplyvnené fluktuáciami, a preto vykazujú vlastnosti, ktoré sa výrazne líšia od vlastností hrubších supravodičov. Existujú dva typy fluktuácií: termické (klasické), ktoré sú výraznejšie pri vyšších teplotách, a kvantové, ktoré sú výraznejšie pri oveľa nižších teplotách, a druhé spôsobujú rôzne zaujímavé javy.

Napríklad, keď sa magnetické pole aplikuje a natiahne kolmo na dvojrozmerný supravodič pri absolútnej nule, dôjde k prechodu zo supravodivosti s nulovým odporom k izolátoru s lokalizovanými elektrónmi. Tento jav sa nazýva prechod supravodič-izolátor indukovaný magnetickým poľom a je typickým príkladom kvantového fázového prechodu.^[4] Kvôli kvantovým výkyvom.

Obrázok 1. (vľavo) V magnetickom poli strednej veľkosti vstupujú čiary magnetického toku ako defekty pozdĺž vírov supravodivých prúdov. (Stred) Koncepčný diagram stavu „supravodivého kolísania“, predchodcu supravodivosti. Vznikajú časovo premenné, priestorovo nerovnomerné, bublinovité supravodivé oblasti. (Vpravo) Schematický diagram merania termoelektrického javu. Pohyb čiary magnetického toku a supravodivé fluktuácie generujú napätia kolmé na tok tepla (teplotný gradient). Poďakovanie: Koichiro Ienaga

Od 90. rokov 20. storočia je však známe, že pri vzorkách s relatívne slabými lokalizačnými účinkami sa v strednej oblasti magnetického poľa objavuje anomálny kovový stav, kde je elektrický odpor o niekoľko rádov nižší ako normálny stav. Predpokladá sa, že tento anomálny kovový stav pochádza z kvapalného stavu, v ktorom sa magnetické tokové čiary (obrázok 1 vľavo), ktoré vstupujú do supravodiča, pohybujú v dôsledku kvantových fluktuácií.

Táto predpoveď sa však nepotvrdila, pretože väčšina predchádzajúcich experimentov na dvojrozmerných supravodičoch využívala merania elektrického odporu, ktoré skúmajú napäťovú odozvu na prúd, pričom napäťové signály vznikajú z pohybu magnetických siločiar, a preto je ťažké ich rozlíšiť. medzi generovanými napäťovými signálmi. Rozptyl normálne vodivých elektrónov.

Informoval o tom výskumný tím vedený asistentom profesorom Koichirom Ienagom a profesorom Satoshi Okumom z Katedry fyziky, School of Science at Tokyo Tech. fyzický recenzný papier V roku 2020 sa kvantový pohyb magnetických siločiar vyskytuje v anomálnom kovovom stave pomocou termoelektrického efektu, v ktorom sa napätie generuje s ohľadom na tepelný tok (teplotný gradient) a nie na prúd.

Pre ďalšie objasnenie pôvodu anomálneho kovového stavu je však potrebné objasniť mechanizmus, ktorým je supravodivý stav zničený kvantovými fluktuáciami a transformovaný do normálneho (izolačného) stavu. V tejto štúdii vykonali merania zamerané na detekciu stavu supravodivých fluktuácií (v strede obrázku 1), čo je prekurzorový stav supravodivosti a predpokladá sa, že existuje v normálnom stave.

Obrázok 2. Kompletný obraz fluktuácií supravodivosti odhalený v širokom rozsahu magnetického poľa a širokom rozsahu teplôt, od oveľa vyššej ako je teplota supravodivého prechodu až po veľmi nízke teploty 0,1 K. Existencia krížovej čiary medzi tepelnými (klasickými) a kvantovými fluktuáciami je demonštrovaná po prvýkrát a kvantový kritický bod, kde táto čiara dosahuje absolútnu nulu, existuje vo vnútri anomálnej kovovej oblasti. Poďakovanie: Koichiro Ienaga

Výskumné úspechy a techniky

V tejto štúdii molybdén-germánium (Mo_XGE_1-X) tenký filmS s amorfnou štruktúrou,^[5] Bol skonštruovaný a použitý materiál s podobnou štruktúrou a poruchou, známy ako dvojrozmerný supravodič. Má hrúbku 10 nanometrov (nanometer je jedna miliardtina metra) a sľubuje fluktuačné účinky, ktoré charakterizujú dvojrozmerné systémy.

Keďže fluktuačné signály nie je možné detekovať meraním elektrického odporu, pretože sú pochované v signáli rozptylu elektrónov s normálnou vodivosťou, vykonali sme merania termoelektrického efektu, ktoré dokážu odhaliť dva typy fluktuácií: (1) supravodivé fluktuácie (kolísanie amplitúdy supravodivosti). ) a (2) pohyb čiary magnetického toku (kolísanie fázy supravodivosti).

Keď sa teplotný rozdiel aplikuje v pozdĺžnom smere vzorky, supravodivé fluktuácie a pohyb magnetických siločiar generujú napätia v priečnom smere. Naproti tomu normálny pohyb elektrónov vytvára napätie primárne v pozdĺžnom smere. Najmä vo vzorkách, ako sú amorfné materiály, kde sa elektróny nepohybujú ľahko, je napätie generované elektrónmi v priečnom smere zanedbateľné, takže samotný príspevok fluktuácie možno selektívne zistiť meraním priečneho napätia (obr. 1, vpravo). .

Termoelektrický efekt sa meral pri rôznych magnetických poliach a teplotách od veľmi vysokých supravodivých prechodových teplôt 2,4 K (Kelvin) po veľmi nízke teploty 0,1 K (1/3000 z 300 K, izbová teplota). ), ktorá je blízka absolútnej nule. To ukazuje, že supravodivé fluktuácie prežívajú nielen v kvapalnej oblasti magnetického toku (tmavočervená oblasť na obrázku 2), kde sú fluktuácie v supravodivej fáze výraznejšie, ale aj v širokom teplotno-magnetickom poli. byť vonku. Normálny stav je oblasť, kde je zničená supravodivosť (oblasť vysokej teploty a vysokého magnetického poľa nad hornou konvexnou plnou čiarou na obrázku 2). Predovšetkým bola prvýkrát úspešne detegovaná krížová čiara medzi tepelnými (klasickými) a kvantovými fluktuáciami (hrubá plná čiara na obrázku 2).

Keď sa krížová čiara blíži k absolútnej nule, hodnota magnetického poľa pravdepodobne zodpovedá kvantovému kritickému bodu, kde sú kvantové fluktuácie najsilnejšie, a tento bod (biely kruh na obrázku 2) jasne leží vo vnútri hranice magnetického poľa. Vyskytuje sa tam, kde je anomálny kovový stav vyskytuje sa, ako je vidieť na elektrickom odpore. Doteraz nebolo možné zistiť existenciu tohto kvantového kritického bodu z meraní elektrického odporu.

Tento výsledok ukazuje, že anomálny kovový stav v magnetickom poli pri absolútnej nule v dvojrozmerných supravodičoch, ktorý nebol vyriešený 30 rokov, vzniká z existencie kvantového kritického bodu. Inými slovami, heterometalický stav je rozšírený kvantový kritický základný stav pre prechod supravodič-izolátor.

zámer

Merania termoelektrického efektu získané pre amorfné konvenčné supravodiče možno považovať za štandardné údaje pre termoelektrický efekt na supravodičoch, pretože úplne zachytávajú vplyv fluktuácií supravodivosti bez prispenia elektrónov v normálnom stave. Termoelektrický efekt je dôležitý z hľadiska jeho aplikácie v elektrických chladiacich systémoch atď. a existuje potreba vyvinúť materiály, ktoré vykazujú veľký termoelektrický efekt pri nízkych teplotách, aby sa rozšíril rozsah chladiacich teplôt. V niektorých supravodičoch boli zaznamenané nezvyčajne veľké termoelektrické efekty pri nízkych teplotách a porovnanie s aktuálnymi údajmi môže poskytnúť vodítko k ich vzniku.

budúci vývoj

Akademický záujem rozvíjajúci sa v tejto štúdii demonštruje teoretickú predpoveď, že v dvojrozmerných supravodičoch so silnejšími lokalizačnými účinkami ako súčasná vzorka budú čiary magnetického toku v kvantovom kondenzovanom stave. V budúcnosti plánujeme nasadiť experimenty využívajúce metódy z tejto štúdie zamerané na ich detekciu.

Výsledky tejto štúdie boli zverejnené online komunikácia prírody Dňa 16. marca 2024.

podmienky

1. Kolísanie supravodivosti: Sila supravodivosti nie je rovnomerná a kolíše v čase a priestore. Je normálne mať tepelné fluktuácie, ale v blízkosti absolútnej nuly sa vyskytujú kvantové fluktuácie založené na princípe kvantovej mechanickej neistoty.
2. Termoelektrický efekt: Vplyv výmeny tepelnej a elektrickej energie. Napätie sa vytvára pri použití teplotného rozdielu, zatiaľ čo teplotný rozdiel sa vytvára pri použití napätia. Prvé sa skúma na použitie ako zariadenie na výrobu energie a druhé ako chladiace zariadenie. V tejto štúdii sa používa ako metóda na detekciu fluktuácií supravodivosti.
3. Dvojrozmerná supravodivosť: Veľmi tenký supravodič. Keď je hrúbka tenšia ako vzdialenosť medzi pármi elektrónov zodpovedných za supravodivosť, účinok fluktuácií supravodivosti sa stáva silnejším a vlastnosti supravodičov sú veľmi odlišné od vlastností hrubších supravodičov.
4. Kvantový kritický bod, kvantový fázový prechod: Fázový prechod, ktorý nastáva pri absolútnej nule, keď sa zmení parameter, ako je magnetické pole, sa nazýva kvantový fázový prechod a odlišuje sa od fázových prechodov spôsobených zmenami teploty. Kvantový kritický bod je bod fázového prechodu, kde nastáva kvantový fázový prechod.S vyskytujú a kde sú kvantové fluktuácie najsilnejšie.
5. Amorfná štruktúra: Štruktúra hmoty, v ktorej sú atómy usporiadané nepravidelne a ktorá nemá kryštalickú štruktúru.
6. Kvantový kondenzovaný stav: Stav, v ktorom veľké množstvo častíc spadá do stavu s najnižšou energiou a správajú sa ako jedna makrovlna. V supravodivom stave je veľa párov elektrónov kondenzovaných. Kvapalné hélium tiež kondenzuje pri ochladení na 2,17 K, čím vzniká supratekutosť s nulovou viskozitou.

Referencia: „Rozsiahly kvantový kritický základný stav v neusporiadanom supravodivom tenkom filme“ od Koichiro Ienaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami a Satoshi Okuma, 16. marca 2024 komunikácia prírody,
DOI: 10.1038/s41467-024-46628-7