A kvantumfluktuációk „hirtelen halála” megkérdőjelezi a szupravezetés jelenlegi elméleteit

A Princeton Egyetem fizikusai meglepő változást fedeztek fel a kvantum viselkedésében, miközben egy három atom vastagságú szigetelővel kísérleteztek, amely könnyen szupravezetővé alakítható.

A kutatás azt ígéri, hogy általánosságban előmozdítja a szilárd testek kvantumfizikájának megértését, valamint potenciálisan új irányokba tolja a kvantumkondenzált anyag fizikája és a szupravezetés tanulmányozását. a eredmények A folyóiratban megjelent Természetfizika A „Nem konvencionális szupravezető kvantumkritikusság egyrétegű WTe-ben₂„.

A kutatók Sanfeng Wu, a Princetoni Egyetem fizika adjunktusa által vezetett kutatók azt találták, hogy a kvantummechanikai fluktuációk hirtelen leállása (vagy „halála”) egy sor egyedi kvantumviselkedést és tulajdonságot mutat, amelyek úgy tűnik, kívül esnek a megállapított kereteken. elméletek. .

A fluktuációk átmeneti véletlenszerű változások egy olyan anyag termodinamikai állapotában, amely fázisátalakulás előtt áll. A fázisátalakulás ismert példája a jég vízzé olvadása. A Princeton kísérlet olyan fluktuációkat vizsgált, amelyek egy szupravezetőben abszolút nullához közeli hőmérsékleten fordulnak elő.

„Amit az átmenet közelében lévő kvantumfluktuációk közvetlen vizsgálatával találtunk, az egy új kvantumfázis-átmenet egyértelmű bizonyítéka volt, amely sérti a terepen ismert szabványos elméleti leírásokat” – mondta Wu. „Ha megértjük ezt a jelenséget, úgy gondoljuk, hogy van valódi lehetőség egy izgalmas új elmélet megjelenésére.”

Kvantumfázisok és szupravezetés

A fizikai világban fázisátalakulások következnek be, amikor egy anyag, például folyadék, gáz vagy szilárd halmazállapotú halmazállapotból vagy formából a másikba változik. De a fázisátalakulások kvantumszinten is megtörténnek. Ezek a változások az abszolút nullához (-273,15°C) közelítő hőmérsékleten következnek be, és valamilyen külső tényező, például nyomás vagy mágneses tér állandó módosításával járnak a hőmérséklet emelkedése nélkül.

A kutatókat különösen az érdekli, hogyan mennek végbe a kvantumfázis-átalakulások a szupravezetőkben, vagyis olyan anyagokban, amelyek ellenállás nélkül vezetik az elektromosságot. A szupravezetők felgyorsíthatják az információs folyamatot, és az egészségügyben és a közlekedésben használt erős mágnesek alapját képezhetik.

„Érdekes kutatási terület, hogy hogyan lehet az egyik szupravezető fázist egy másikká változtatni” – mondta Wu. „Egy ideje érdekel bennünket ez a probléma a vékony, tiszta, egykristályos anyagokkal kapcsolatban.”

Szupravezetés akkor következik be, amikor az elektronok párosulnak, és ellenállás nélkül áramolnak együtt, anélkül, hogy energiát disszipálnának. Normális esetben az elektronok szabálytalan módon mozognak az áramkörökön és vezetékeken keresztül, és végül nem hatékony módon ütköznek egymással, ami energiát pazarol. De a szupravezetésben az elektronok összehangoltan működnek energiahatékony módon.

A szupravezetés 1911 óta ismert, bár a működésének mikéntje és miértje nagyrészt rejtély maradt 1956-ig, amikor is a kvantummechanika kezdett rávilágítani a jelenségre. De a szupravezetést csak az elmúlt évtizedben tanulmányozták tiszta, atomosan vékony, kétdimenziós anyagokban. Valójában a szupravezetést sokáig lehetetlennek tartották egy 2D-s világban.

N mondta „Ez azért történt, mert amikor alacsonyabb dimenziókba lépünk, az ingadozások olyan erősekké válnak, hogy megsemmisítik a szupravezetés lehetőségét” – mondta Fuan Ong, a Princetoni Egyetem fizikaprofesszora és a cikk szerzője.

A fluktuációk fő módja a 2D szupravezetés tönkretételének az úgynevezett kvantumörvények (többes számban: örvények) spontán megjelenése.

Mindegyik örvény egy kis örvényre hasonlít, amely egy mozgó elektronáramban csapdába esett mágneses mező mikroszkopikus csíkjából áll. Ha a mintát egy bizonyos hőmérséklet fölé emeljük, az örvények spontán módon, páronként jelennek meg: örvények és antiörvények. Gyors mozgásuk tönkreteszi a szupravezető állapotot.

„Az örvény olyan, mint egy örvény” – mondta Ong. „Az örvény kvantumváltozatai, amely akkor jelenik meg, amikor leereszted a fürdőkádat.”

A fizikusok már tudják, hogy az ultravékony filmekben a szupravezetés valójában egy bizonyos kritikus hőmérséklet alatt létezik, amelyet BKT-átmenetként ismerünk, és amelyet Vadim Berezinsky, John Kosterlitz és David Thewlis kondenzált anyag fizikusairól neveztek el. Utóbbi kettő megosztva kapta a 2016-os fizikai Nobel-díjat F. Duncan Haldane, a Sherman Fairchild Egyetem fizikaprofesszora.

A BKT-elméletet széles körben úgy tekintik, mint annak sikeres leírását, hogy a 2D-s szupravezetők kvantumörvényei hogyan képesek megsokszorozni és tönkretenni a szupravezetést. Az elmélet akkor érvényes, ha a minta melegítésével szupravezetési átmenetet váltanak ki.

Jelenlegi tapasztalat

A szupravezetés és a fázisátalakulások területén aktív kutatások területe az a kérdés, hogyan lehet a 2D szupravezetést a hőmérséklet emelése nélkül megsemmisíteni. Abszolút nullához közeli hőmérsékleten a kvantumváltás a kvantumfluktuációk révén megy végbe. Ebben a forgatókönyvben az átmenet eltér a hőmérséklet által kiváltott BKT-átmenettől.

A kutatók egy hatalmas wolfram-ditellurid kristályból indultak ki (WTe₂), amely réteges félfémnek minősül. A kutatók azzal kezdték, hogy a wolfram-ditelluridot 2D-s anyaggá alakították úgy, hogy az anyagot fokozatosan egyetlen atomvékony rétegre hámozták le.

Ezen a vékonysági szinten az anyag nagyon erős szigetelőként viselkedik, ami azt jelenti, hogy elektronjai korlátozottan mozognak, ezért nem vezethetnek elektromosságot. Meglepő módon a kutatók azt találták, hogy az anyag számos új kvantumviselkedést mutat, például a szigetelő és a szupravezető fázisok közötti váltást. Ezt a kapcsolási viselkedést úgy tudták szabályozni, hogy olyan eszközt készítettek, amely ugyanúgy működött, mint egy „be/ki” kapcsoló.

De ez csak az első lépés volt. Ezután a kutatók két fontos feltételnek tették alá az anyagot. Az első dolguk az volt, hogy a wolfram-ditelluridot kivételesen alacsony hőmérsékletre, körülbelül 50 millikelvinre (mK) hűtötték.

Ötven millikelvin -273,10 Celsius-fok (vagy -459,58 Fahrenheit-fok), egy hihetetlenül alacsony hőmérséklet, ahol a kvantummechanikai hatások dominálnak.

A kutatók ezután az anyagot szigetelőből szupravezetővé alakították át úgy, hogy néhány extra elektront juttattak az anyagba. Nem sok erőfeszítésbe került a szupravezető állapot elérése. „Csak kis mennyiségű kapufeszültség képes az anyagot szigetelőből szupravezetővé változtatni” – mondta Tianqing Song, a fizikával foglalkozó posztdoktori kutató és a tanulmány vezető szerzője. „Ez egy igazán klassz hatás.”

A kutatók azt találták, hogy pontosan szabályozhatják a szupravezetés tulajdonságait az anyag elektronsűrűségének a kapufeszültségen keresztül történő beállításával. Kritikus elektronsűrűség esetén a kvantumörvények gyorsan megszaporodnak és tönkreteszik a szupravezetést, ami kvantumfázis-átalakulást vált ki.

E kvantumörvények jelenlétének kimutatására a kutatók egy kis hőmérsékleti gradienst hoztak létre a mintában, így a wolfram-dellurid egyik oldala kissé melegebb lett, mint a másik. „Az örvények a hidegebb élt keresik” – mondta Ong. „A termikus gradiensben a mintában lévő összes örvény a hidegebb részbe sodródik, így amit létrehoztál, az egy örvényfolyó, amely a melegebb részből a hidegebb részbe áramlik.”

Az örvényáram érzékelhető feszültségjelet generál a szupravezetőben. Ez a Nobel-díjas fizikusról, Brian Josephsonról elnevezett effektusnak köszönhető, akinek elmélete szerint amikor egy örvényáram keresztezi a két elektromos vezető közé húzott vonalat, gyenge keresztirányú feszültséget generál, ami nanovoltokkal érzékelhető. méter.

„Ellenőrizhetjük, hogy ez a Josephson-effektus; ha megfordítja a mágneses mezőt, az észlelt feszültség megfordul” – mondta Ong.

„Ez az örvényáram nagyon specifikus jele” – tette hozzá Wu. „A mozgó örvények közvetlen észlelése kísérleti eszközt ad számunkra a mintában lévő kvantumfluktuációk mérésére, amit egyébként nehéz elérni.”

Elképesztő kvantumjelenségek

Miután a kutatók meg tudták mérni ezeket a kvantumfluktuációkat, egy sor váratlan jelenséget fedeztek fel. Az első meglepetés az örvények elképesztő ereje volt. A kísérlet kimutatta, hogy ezek az örvények a vártnál jóval magasabb hőmérsékleten és mágneses térben is fennmaradnak. A szupravezető fázisnál, az anyag rezisztív fázisánál sokkal magasabb hőmérsékleten és tartományban élnek túl.

A második nagy meglepetés az, hogy az örvényjel hirtelen eltűnt, amikor az elektronsűrűséget azon kritikus érték alá állítottuk, amelynél a szupravezető állapot kvantumfázisátalakulása megtörténik. Az elektronsűrűség ezen kritikus értékénél, amelyet a kutatók kvantumkritikus pontnak (QCP) neveznek, amely a fázisdiagramban nulla hőmérsékletű pontot jelent, a kvantumfluktuációk hajtják a fázisátalakulást.

„Arra számítottunk, hogy a kritikus elektronsűrűség alatti tartós erős ingadozások a nem szupravezető oldalon, akárcsak a BKT átmeneti hőmérséklete feletti erős ingadozások” – mondta Wu.

„Azonban azt találtuk, hogy az örvényjelek „hirtelen” eltűnnek abban a pillanatban, amikor a kritikus elektronsűrűséget túllépik. Ez sokk volt. Ezt a megfigyelést egyáltalán nem tudjuk megmagyarázni – a fluktuációk „hirtelen halálát”.

„Más szóval, felfedeztünk egy új típusú kvantumkritikus pontot, de nem értjük” – tette hozzá Ong.

A kondenzált anyag fizika területén jelenleg két jól bevált elmélet létezik a szupravezető fázisátalakulások magyarázatára, a Ginzburg-Landau elmélet és a BKT elmélet. A kutatók azonban azt találták, hogy ezen elméletek egyike sem magyarázza meg a megfigyelt jelenségeket.

„Új elméletre van szükségünk ahhoz, hogy leírjuk, mi történik ebben az esetben, és reméljük, hogy a jövőbeni munkában ezzel foglalkozni fogunk, mind elméleti, mind kísérleti szempontból” – mondta Wu.