A kvantumáttörés felfedi a szupravezetők rejtett természetét

A hőhatás teljes képet tár fel a szupravezetés ingadozásairól.

Gyenge ingadozások a szupravezetésben,^[1] A szupravezetés jelenségét sikeresen fedezte fel a Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) kutatócsoportja. Ezt a teljesítményt a hőhatás mérésével érték el^[2] Szupravezetőkben a mágneses mezők széles tartományában és széles hőmérséklet-tartományban, a szupravezető átmeneti hőmérséklettől jóval a nagyon alacsony hőmérsékletekig. Abszolút nulla.

Ez feltárta a teljes képet a szupravezetés ingadozásairól a hőmérséklet és a mágneses tér tekintetében, és bemutatta a mágneses mezők rendellenes fémes állapotának eredetét, amely megoldatlan probléma volt a 2D szupravezetés területén.^[3] 30 éve létezik egy kritikus kvantumpont^[4] Ahol a kvantumfluktuációk a legerősebbek.

A szupravezetők megértése

A szupravezető olyan anyag, amelyben az elektronok alacsony hőmérsékleten párosulnak, ami nulla elektromos ellenállást eredményez. Erőteljes elektromágnesek anyagaként használják orvosi MRI-ben és más alkalmazásokban. Az alacsony hőmérsékleten működő kvantumszámítógépek kis logikai elemeiként is kulcsfontosságúak, és szükség van az alacsony hőmérsékletű szupravezetők tulajdonságainak tisztázására, amikor miniatürizálják őket.

Az atomi vékony 2D szupravezetőket erősen befolyásolják az ingadozások, és így olyan tulajdonságokat mutatnak, amelyek jelentősen eltérnek a vastagabb szupravezetőkétől. Kétféle ingadozás létezik: a termikus (klasszikus), amely magas hőmérsékleten hangsúlyosabb, és a kvantum, amely nagyon alacsony hőmérsékleten jelentősebb, ez utóbbi számos érdekes jelenséget okoz.

Például, ha egy kétdimenziós szupravezetőre merőlegesen alkalmazunk mágneses teret abszolút nullaponton és növekszik, akkor a nulla ellenállású szupravezetőről egy lokalizált elektronokat tartalmazó szigetelőre való átmenet következik be. Ezt a jelenséget mágneses tér által indukált szupravezető szigetelő átmenetnek nevezik, és a kvantumfázis-átmenet tipikus példája^[4] Kvantumfluktuációk okozzák.

1. ábra (balra) A mezoskálájú mágneses térben a mágneses fluxus vonalai szupravezető áramok örvényeivel kísért hibák formájában törnek át. (Középen) A „szupravezetési fluktuáció” állapot fogalmi diagramja, amely a szupravezetés előfutára. Időben változó, térben nem egyenletes, buborékszerű szupravezető régiók képződnek. (Jobbra) A hőhatás mérésének sematikus diagramja. A mágneses fluxusvonal mozgása és a szupravezetési ingadozások a hőáramra merőleges feszültséget (hőmérséklet-gradiens) generálnak. Köszönetnyilvánítás: Koichiro Inaga

Az 1990-es évek óta ismert azonban, hogy a viszonylag gyenge lokalizációs hatású mintáknál a mágneses tér köztes tartományában anomális fémes állapot jelenik meg, ahol az elektromos ellenállás több nagyságrenddel kisebb a normál állapotnál. Ennek a rendellenes fémes állapotnak az eredete egy folyadékszerű állapot, amelyben a szupravezetőn áthatoló mágneses fluxusvonalakat (1. ábra balra) kvantumingadozások mozgatják.

Ez a jóslat azonban nem igazolódott, mivel a 2D szupravezetőkkel végzett korábbi kísérletek többsége olyan elektromos ellenállásméréseket használt, amelyek a feszültség áramra adott válaszát vizsgálják, ami megnehezíti a mágneses fluxusvonalak mozgásából és a szórásból származó feszültségjelek megkülönböztetését. normál vezetőképességű elektronok.

A Koichiro Inaga adjunktus és Satoshi Okuma professzor által vezetett kutatócsoport a Tokiói Műszaki Egyetem Természettudományi Karának Fizikai Tanszékéről számolt be Fizikai áttekintő levelek 2020 A mágneses fluxusvonalak kvantummozgása anomális fémes állapotban történik a termoelektromos effektus segítségével, ahol elektromos feszültség keletkezik a hőáramláshoz (hőmérséklet gradienshez) képest, nem pedig áramhoz.

A rendellenes fémes állapot eredetének további tisztázásához azonban szükséges annak a mechanizmusnak a tisztázása, amellyel a szupravezető állapot a kvantumfluktuáció hatására tönkremegy, és a normál (szigetelő) állapotba kerül át. Ebben a tanulmányban olyan méréseket végeztek, amelyek célja a szupravezetés fluktuációs állapotának kimutatása volt (az 1. ábra közepén), amely a szupravezetés előfeltétele, amelyről úgy gondolják, hogy természetes állapotban létezik.

2. ábra: A szupravezető képesség ingadozásának teljes képe széles mágneses tértartományban és széles hőmérséklet-tartományban látható, a szupravezető átmeneti hőmérséklettől jóval 0,1 K-ig. A hő (klasszikus) és a kvantumfluktuációk közötti metszésvonal létezését először mutatták ki, és azt a kvantumkritikus pontot, amelynél ez a vonal eléri az abszolút nullát, az anomális fémes régióban található. Köszönetnyilvánítás: Koichiro Inaga

Kutatási eredmények és technikák

Ebben a vizsgálatban a molibdén-germánium (Mo_sJé_1-s) vékonys Amorf szerkezettel,^[5] Egységes és kaotikus szerkezetű, kétdimenziós szupravezetőként ismert, gyártották és használták. 10 nanométer vastag (egy nanométer a méter milliárdod része), és a 2D rendszerekre jellemző fluktuációs hatást ígér.

Mivel a fluktuációs jelek elektromos ellenállásmérésekkel nem mutathatók ki, mert a normál vezetési elektronszórási jelben vannak eltemetve, ezért elvégeztük a termoelektromos hatás mérését, amely kétféle ingadozást képes kimutatni: (1) szupravezetési fluktuáció (a szupravezetési kapacitás ingadozása), ill. (2) A mágneses fluxusvonal mozgása (ingadozások a szupravezető fázisban).

Ha a minta hosszirányában hőmérséklet-különbséget alkalmazunk, a szupravezetés ingadozása és a mágneses fluxusvonalak mozgása keresztirányú feszültséget generál. Ezzel szemben a normál elektronmozgás főként hosszanti irányban generál feszültséget. Különösen az olyan mintákban, mint például az amorf anyagok, ahol az elektronok nem mozognak könnyen, az elektronok által keltett feszültség keresztirányban kicsi, így a fluktuációs hozzájárulás önmagában is szelektíven kimutatható a keresztirányú feszültség mérésével (1. ábra, jobbra).

A termoelektromos hatást számos mágneses mezőben és különféle hőmérsékleteken mérték, a 2,4 kelvin (K) szupravezetési átmeneti hőmérséklettől jóval 0,1 K-ig (1/3000 300 K, szobahőmérséklet) , ami közel áll az abszolút nullához. Ez azt mutatja, hogy a szupravezetési ingadozások nem csak a mágneses fluxus folyékony tartományában (a 2. ábrán sötétvörös tartományban) maradnak jelen, ahol a szupravezető fázisingadozások a legnyilvánvalóbbak, hanem a hőmérsékleti mágneses tér széles tartományában, kifelé is. A normál állapotú régiónak tekinthető, ahol a szupravezetés megsemmisül (a 2. ábrán a felső konvex folytonos vonal feletti erős mágneses tér és magas hőmérséklet tartománya). Nevezetesen, először sikerült felfedezni a termikus (klasszikus) és kvantumfluktuációk metszésvonalát (vastag folytonos vonal a 2. ábrán).

A mágneses tér értéke, amikor a metszésvonal eléri az abszolút nullát, valószínűleg megfelel annak a kvantumkritikus pontnak, ahol a kvantumfluktuációk a legerősebbek, és ez a pont (a 2. ábrán fehér kör) egyértelműen azon a mágneses tértartományon belül van, ahol rendellenes fémes állapot áll fenn. Az elektromos ellenállásban volt megfigyelhető. Ennek a kvantumkritikus pontnak a létezését eddig nem mutatták ki elektromos ellenállásmérésekből.

Ez az eredmény azt mutatja, hogy a 2D szupravezetők abszolút nullapontján lévő mágneses tér anomális fémes állapota, amely 30 éve megoldatlan maradt, egy kvantumkritikus pont létezéséből adódik. Más szavakkal, az anomális fémes állapot egy kiterjesztett kvantumkritikus alapállapot a szupravezetőből a szigetelőbe való átmenethez.

Elágazások

A hagyományos amorf szupravezetők termoelektromos hatásának mérései a szupravezetőkre kifejtett termoelektromos hatás standard adatának tekinthetők, mivel a szupravezető képesség ingadozásának hatását normál állapotú elektronok közreműködése nélkül rögzítik. A hőhatás fontos az elektromos hűtőrendszerekben stb. való alkalmazása szempontjából, és olyan anyagok kifejlesztésére van szükség, amelyek alacsony hőmérsékleten jelentős hőhatást mutatnak a maximális hűtési hőmérséklet meghosszabbítása érdekében. Egyes szupravezetőknél szokatlanul nagy termoelektromos hatásokról számoltak be alacsony hőmérsékleten, és a meglévő adatokkal való összehasonlítás támpontot adhat ezek forrására.

Jövőbeli fejlesztések

A jelen tanulmányban kidolgozandó akadémiai érdeklődés egyike annak az elméleti előrejelzésnek a tisztázása, hogy a jelen mintánál erősebb lokalizációs hatású 2D szupravezetőkben a mágneses fluxusvonalak kvantumkondenzált állapotban lesznek6. A továbbiakban azt tervezzük, hogy kísérleteket teszünk közzé a jelen tanulmány módszereivel, hogy megtudjuk.

A tanulmány eredményeit az interneten tették közzé ben Nature Communications 2024. március 16-án.

körülmények

1. A szupravezetés fluktuációi: A szupravezetés erőssége nem egyenletes, időben és térben ingadozik. Normális, hogy hőingadozások fordulnak elő, de az abszolút nulla közelében kvantumfluktuációk lépnek fel a kvantummechanika bizonytalansági elve alapján.
2. Hőhatás: A hő- és elektromos energiacsere hatása. Hőmérséklet-különbség alkalmazásakor feszültség keletkezik, feszültség alkalmazásakor pedig hőmérséklet-különbség. Az előbbit áramfejlesztő eszközként, az utóbbit hűtőberendezésként vizsgálják. Ebben a tanulmányban a szupravezetés ingadozásainak kimutatására használták.
3. 2D szupravezetés: Ultravékony szupravezető. Ha a vastagság kisebb lesz, mint a szupravezetésért felelős elektronpárok távolsága, a szupravezetés fluktuációinak hatása erősebbé válik, és a szupravezetők tulajdonságai teljesen eltérnek a vastagabb szupravezetőkétől.
4. Kvantumkritikus pont, kvantumfázis átmenet: Az abszolút nullánál bekövetkező fázisátalakulást, amikor egy paraméter, például a mágneses tér megváltozik, kvantumfázis-átalakulásnak nevezik, és megkülönböztetik a hőmérsékletváltozás okozta fázisátalakulástól. A kvantumkritikus pont az a fázisátmeneti pont, ahol a kvantumfázisváltás megtörténiks Ott fordulnak elő, ahol a kvantumfluktuációk a legerősebbek.
5. Amorf szerkezet: Olyan anyagszerkezet, amelyben az atomok szabálytalanul helyezkednek el, és nincs kristályos szerkezetük.
6. Sűrített kvantumállapot: Olyan állapot, amelyben nagyszámú részecske van a legalacsonyabb energiájú állapotban, és egyetlen makroszkopikus hullámként viselkedik. A szupravezetésben sok elektronpár kondenzálódik. A folyékony hélium 2,17 K-re hűtve is kondenzálódik, ami kiváló folyékonyságot eredményez ragadósság nélkül.

Hivatkozás: „Kibővített kvantumkritikus alapállapot rendezetlen szupravezető vékony filmben”, Koichiro Inaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami és Satoshi Okuma, 2024. március 16. Nature Communications.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7