Квантовый прорыв раскрывает скрытую природу сверхпроводников

Тепловой эффект раскрывает полную картину флуктуаций сверхпроводимости.

Слабые флуктуации сверхпроводимости,^[1] Явление сверхпроводимости было успешно обнаружено исследовательской группой Токийского технологического института (Tokyo Tech). Этот подвиг был достигнут путем измерения теплового эффекта.^[2] В сверхпроводниках в широком диапазоне магнитных полей и в широком диапазоне температур от значительно выше температуры сверхпроводящего перехода до очень низких температур, близких к Абсолютный ноль.

Это раскрыло полную картину флуктуаций сверхпроводимости в зависимости от температуры и магнитного поля, а также продемонстрировало возникновение аномального металлического состояния в магнитных полях, которое было нерешенной проблемой в области 2D-сверхпроводимости.^[3] Уже 30 лет существует критическая квантовая точка^[4] Где квантовые флуктуации наиболее сильны.

Понимание сверхпроводников

Сверхпроводник — это материал, в котором электроны соединяются при низких температурах, что приводит к нулевому электрическому сопротивлению. Он используется в качестве материала для мощных электромагнитов в медицинской МРТ и других приложениях. Они также имеют решающее значение в качестве небольших логических элементов в квантовых компьютерах, работающих при низких температурах, и существует необходимость выяснения свойств низкотемпературных сверхпроводников при их миниатюризации.

Атомно тонкие 2D-сверхпроводники сильно подвержены флуктуациям и поэтому обладают свойствами, которые существенно отличаются от свойств более толстых сверхпроводников. Существует два типа флуктуаций: тепловые (классические), которые более выражены при высоких температурах, и квантовые, более значительны при очень низких температурах, причем последние вызывают множество интересных явлений.

Например, при приложении магнитного поля перпендикулярно двумерному сверхпроводнику при абсолютном нуле и возрастании происходит переход от сверхпроводника с нулевым сопротивлением к изолятору с локализованными электронами. Это явление называется переходом сверхпроводящего изолятора, индуцированного магнитным полем, и является типичным примером квантового фазового перехода.^[4] Вызвано квантовыми флуктуациями.

Рис. 1. (Слева) В мезомасштабном магнитном поле линии магнитного потока прорываются в виде дефектов, сопровождаемых вихрями сверхпроводящих токов. (В центре) Концептуальная диаграмма состояния «флуктуации сверхпроводимости», предшественника сверхпроводимости. Формируются изменяющиеся во времени пространственно неоднородные пузырчатые сверхпроводящие области. (Справа) Принципиальная схема измерения теплового эффекта. Движение линий магнитного потока и флуктуации сверхпроводимости генерируют напряжение, перпендикулярное тепловому потоку (градиент температуры). Фото: Коитиро Инага

Однако с 1990-х годов известно, что для образцов с относительно слабыми эффектами локализации аномальное металлическое состояние возникает в области промежуточного магнитного поля, где электрическое сопротивление на несколько порядков ниже нормального состояния. Считается, что источником этого аномального металлического состояния является жидкое состояние, в котором линии магнитного потока (рис. 1 слева), проникающие в сверхпроводник, перемещаются квантовыми флуктуациями.

Однако это предсказание не было подтверждено, поскольку в большинстве предыдущих экспериментов с 2D-сверхпроводниками использовались измерения электрического сопротивления, которые исследовали реакцию напряжения на ток, что затрудняло различие между сигналами напряжения, возникающими в результате движения линий магнитного потока, и сигналами, возникающими в результате рассеяния. электронов с нормальной проводимостью.

Исследовательская группа под руководством доцента Коитиро Инаги и профессора Сатоши Окума с кафедры физики факультета естественных наук Токийского технологического университета сообщила в Письма о физическом осмотре 2020 Квантовое движение линий магнитного потока происходит в аномальном металлическом состоянии с использованием термоэлектрического эффекта, при котором электрическое напряжение генерируется относительно теплового потока (градиента температуры), а не тока.

Однако для дальнейшего выяснения природы аномального металлического состояния необходимо выяснить механизм разрушения сверхпроводящего состояния за счет квантовой флуктуации и перехода в нормальное (изолирующее) состояние. В этом исследовании они выполнили измерения, направленные на обнаружение флуктуационного состояния сверхпроводимости (в центре рисунка 1), состояния-предшественника сверхпроводимости, которое, как считается, существует в естественном состоянии.

Рис. 2. Полная картина флуктуаций сверхпроводимости раскрывается в широком диапазоне магнитных полей и в широком диапазоне температур: от значительно выше температуры сверхпроводящего перехода до 0,1 К. Впервые было продемонстрировано существование линии пересечения тепловых (классических) и квантовых флуктуаций, а квантовая критическая точка, в которой эта линия достигает абсолютного нуля, оказалась расположенной внутри аномальной металлической области. Фото: Коитиро Инага

Научные достижения и методы

В этом исследовании молибден-германий (Mo_сНу и дела_1-с) тонкийс Имея аморфную структуру,^[5] Известный как двумерный сверхпроводник с однородной и хаотичной структурой, он был изготовлен и использован. Его толщина составляет 10 нанометров (один нанометр — это миллиардная часть метра), и он обещает иметь флуктуационные эффекты, характерные для 2D-систем.

Поскольку сигналы флуктуации не могут быть обнаружены с помощью измерений электрического сопротивления, поскольку они скрыты в нормальном сигнале рассеяния электронов проводимости, мы провели измерения термоэлектрического эффекта, который может обнаружить два типа флуктуаций: (1) флуктуации сверхпроводимости (флуктуации сверхпроводящей емкости) и (2) Движение линии магнитного потока (флуктуации в сверхпроводящей фазе).

При приложении разницы температур в продольном направлении образца флуктуации сверхпроводимости и движение линий магнитного потока генерируют напряжение в поперечном направлении. Напротив, нормальное движение электронов генерирует напряжение преимущественно в продольном направлении. Особенно в таких образцах, как аморфные материалы, где электроны движутся с трудом, напряжение, генерируемое электронами в поперечном направлении, невелико, поэтому вклад флуктуаций можно выборочно обнаружить путем измерения поперечного напряжения (рис. 1, справа).

Термоэлектрический эффект был измерен в различных магнитных полях и при различных температурах: от температуры, значительно превышающей температуру перехода в сверхпроводимость (2,4 Кельвина (К)), до очень низкой температуры 0,1 К (1/3000 от 300 К, °Комн. температура), близкая к абсолютному нулю. Это показывает, что флуктуации сверхпроводимости остаются не только в жидкой области магнитного потока (темно-красная область на рисунке 2), где флуктуации сверхпроводящей фазы наиболее выражены, но также и в широкой области температурного магнитного поля дальше наружу, т.е. считается областью нормального состояния, где сверхпроводимость разрушается (область сильного магнитного поля и высокой температуры над верхней выпуклой сплошной линией на рисунке 2). Примечательно, что впервые была успешно обнаружена линия пересечения тепловых (классических) и квантовых флуктуаций (толстая сплошная линия на рисунке 2).

Значение магнитного поля, когда линия пересечения достигает абсолютного нуля, вероятно, соответствует квантовой критической точке, где квантовые флуктуации наиболее сильны, и эта точка (белый кружок на рисунке 2) явно лежит в пределах диапазона магнитного поля, где существует аномальное металлическое состояние. Это наблюдалось в электрическом сопротивлении. Существование этой квантовой критической точки до сих пор не было обнаружено путем измерений электрического сопротивления.

Этот результат показывает, что аномальное металлическое состояние в магнитном поле при абсолютном нуле в 2D-сверхпроводниках, которое остается неразрешенным в течение 30 лет, возникает из-за существования квантовой критической точки. Другими словами, аномальное металлическое состояние — это расширенное квантовое критическое основное состояние перехода от сверхпроводника к изолятору.

Разветвления

Измерения термоэлектрического эффекта, полученные для обычных аморфных сверхпроводников, можно рассматривать как стандартные данные для термоэлектрического эффекта на сверхпроводниках, поскольку они фиксируют эффект флуктуаций сверхпроводимости без вклада электронов в нормальном состоянии. Тепловой эффект важен с точки зрения его применения в электрических холодильных системах и т. д., и существует необходимость в разработке материалов, которые проявляют значительный тепловой эффект при низких температурах для продления максимальных температур охлаждения. Сообщалось о необычно сильных термоэлектрических эффектах при низких температурах в некоторых сверхпроводниках, и сравнение с существующими данными может дать ключ к разгадке их источника.

Будущие разработки

Одним из академических интересов, который будет развиваться в этом исследовании, является уточнение теоретического предсказания о том, что в 2D-сверхпроводниках с более сильными эффектами локализации, чем в настоящем образце, линии магнитного потока будут находиться в квантово-конденсированном состоянии6. В дальнейшем мы планируем опубликовать эксперименты с использованием методов этого исследования, чтобы выяснить это.

Результаты этого исследования были опубликованы в Интернете в Природные коммуникации 16 марта 2024 г.

условия

1. Флуктуации сверхпроводимости: Сила сверхпроводимости неоднородна и колеблется во времени и пространстве. Возникновение тепловых флуктуаций является нормальным, но вблизи абсолютного нуля возникают квантовые флуктуации, основанные на принципе неопределенности квантовой механики.
2. Термический эффект: Эффект обмена тепловой и электрической энергии. Напряжение генерируется при приложении разницы температур, а разница температур создается при приложении напряжения. Первый изучается для использования в качестве устройства для выработки электроэнергии, а второй — в качестве устройства охлаждения. В данном исследовании он использовался как способ обнаружения флуктуаций сверхпроводимости.
3. 2D-сверхпроводимость: Ультратонкий сверхпроводник. Когда толщина становится меньше расстояния между парами электронов, ответственных за сверхпроводимость, влияние флуктуаций сверхпроводимости становится сильнее, и свойства сверхпроводников совершенно иные, чем у более толстых сверхпроводников.
4. Квантовая критическая точка, квантовый фазовый переход: Фазовый переход, который происходит при абсолютном нуле при изменении такого параметра, как магнитное поле, называется квантовым фазовым переходом и отличается от фазового перехода, вызванного изменением температуры. Квантовая критическая точка — это точка фазового перехода, в которой происходит квантовый фазовый переход.с Они возникают там, где квантовые флуктуации наиболее сильны.
5. Аморфная структура: Структура вещества, в которой атомы расположены беспорядочно и не имеют кристаллической структуры.
6. Конденсированное квантовое состояние: Состояние, при котором большое количество частиц находится в состоянии с самой низкой энергией и ведет себя как одна макроскопическая волна. В сверхпроводимости многие пары электронов конденсируются. Жидкий гелий также конденсируется при охлаждении до 2,17 К, что приводит к превосходной текучести без липкости.

Ссылка: «Расширенное квантовое критическое основное состояние в неупорядоченной сверхпроводящей тонкой пленке», Коитиро Инага, Ютака Тамото, Масахиро Йода, Юки Ёсимура, Такахиро Исигами и Сатоши Окума, 16 марта 2024 г., Природные коммуникации.
дои: 10.1038/s41467-024-46628-7