Kwantumdoorbraak onthult de verborgen aard van supergeleiders

Het thermische effect onthult het volledige beeld van fluctuaties in supergeleiding.

Zwakke fluctuaties in supergeleiding,^[1] Het fenomeen supergeleiding werd met succes ontdekt door een onderzoeksgroep van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech). Deze prestatie werd bereikt door het thermische effect te meten^[2] In supergeleiders over een breed bereik aan magnetische velden en over een breed temperatuurbereik, van ver boven de supergeleidende overgangstemperatuur tot zeer lage temperaturen dichtbij Absolute nulpunt.

Dit onthulde het volledige beeld van fluctuaties in supergeleiding met betrekking tot temperatuur en magnetisch veld, en toonde de oorsprong aan van de afwijkende metaaltoestand in magnetische velden, wat een onopgelost probleem was op het gebied van 2D-supergeleiding.^[3] Al 30 jaar bestaat er een kritisch kwantumpunt^[4] Waar kwantumfluctuaties het sterkst zijn.

Supergeleiders begrijpen

Een supergeleider is een materiaal waarin elektronen bij lage temperaturen paren, wat resulteert in een elektrische weerstand van nul. Het wordt gebruikt als materiaal voor krachtige elektromagneten in medische MRI en andere toepassingen. Ze zijn ook cruciaal als kleine logische elementen in kwantumcomputers die bij lage temperaturen werken, en er is behoefte aan het ophelderen van de eigenschappen van supergeleiders bij lage temperaturen wanneer ze worden geminiaturiseerd.

Atomair dunne 2D-supergeleiders worden sterk beïnvloed door fluctuaties en vertonen daardoor eigenschappen die aanzienlijk verschillen van die van dikkere supergeleiders. Er zijn twee soorten fluctuaties: thermisch (klassiek), wat meer uitgesproken is bij hoge temperaturen, en kwantum, wat belangrijker is bij zeer lage temperaturen, waarbij de laatste een verscheidenheid aan interessante verschijnselen veroorzaakt.

Wanneer bijvoorbeeld een magnetisch veld loodrecht op een tweedimensionale supergeleider wordt aangelegd op het absolute nulpunt en toeneemt, vindt er een overgang plaats van een supergeleider zonder weerstand naar een isolator met gelokaliseerde elektronen. Dit fenomeen wordt door een magnetisch veld geïnduceerde supergeleidende isolatorovergang genoemd en is een typisch voorbeeld van een kwantumfaseovergang^[4] Veroorzaakt door kwantumfluctuaties.

Figuur 1. (Links) In een magnetisch veld op mesoschaal breken magnetische fluxlijnen door in de vorm van defecten die gepaard gaan met wervelingen van supergeleidende stromen. (Midden) Conceptueel diagram van de toestand van de “supergeleidingsfluctuatie”, een voorloper van supergeleiding. Er worden in de tijd variërende, ruimtelijk niet-uniforme, belachtige supergeleidende gebieden gevormd. (Rechts) Schematisch diagram van thermische effectmeting. Magnetische fluxlijnbewegingen en supergeleidingsfluctuaties genereren een spanning loodrecht op de warmtestroom (temperatuurgradiënt). Krediet: Koichiro Inaga

Sinds de jaren negentig is het echter bekend dat bij monsters met relatief zwakke lokalisatie-effecten een abnormale metaalachtige toestand optreedt in het tussenliggende magnetische veldgebied, waar de elektrische weerstand enkele ordes van grootte lager is dan de normale toestand. Aangenomen wordt dat de oorsprong van deze abnormale metaaltoestand een vloeistofachtige toestand is, waarin magnetische fluxlijnen (Figuur 1 links) die de supergeleider binnendringen, worden bewogen door kwantumfluctuaties.

Deze voorspelling is echter niet bewezen omdat bij de meeste eerdere experimenten met 2D-supergeleiders gebruik werd gemaakt van elektrische weerstandsmetingen die de reactie van spanning op stroom onderzoeken, waardoor het moeilijk wordt om onderscheid te maken tussen spanningssignalen die voortkomen uit de beweging van magnetische fluxlijnen en signalen die voortkomen uit de verstrooiing. van elektronen met normale geleiding.

Een onderzoeksteam onder leiding van assistent-professor Koichiro Inaga en professor Satoshi Okuma van de afdeling natuurkunde, faculteit natuurwetenschappen, Tokyo Tech University rapporteerde in Fysieke beoordelingsbrieven 2020 Kwantumbeweging van magnetische fluxlijnen vindt plaats in een afwijkende metaalachtige toestand met behulp van het thermo-elektrisch effect, waarbij een elektrische spanning wordt gegenereerd met betrekking tot de warmtestroom (temperatuurgradiënt) in plaats van een stroom.

Om de oorsprong van de abnormale metallische toestand verder te verduidelijken, is het echter noodzakelijk om het mechanisme op te helderen waardoor de supergeleidende toestand wordt vernietigd door kwantumfluctuaties en overgangen naar de normale (isolerende) toestand. In deze studie voerden ze metingen uit die gericht waren op het detecteren van de fluctuatietoestand van supergeleiding (midden van figuur 1), een voorloper van supergeleiding waarvan wordt aangenomen dat deze in de natuurlijke staat bestaat.

Figuur 2. Het volledige beeld van fluctuaties in supergeleiding wordt onthuld over een breed magnetisch veldbereik en over een breed temperatuurbereik, van ruim boven de supergeleidende overgangstemperatuur tot wel 0,1 K. Het bestaan ​​van een snijlijn tussen warmte (klassiek) en kwantumfluctuaties werd voor het eerst aangetoond, en het kwantumkritische punt waarop deze lijn het absolute nulpunt bereikt bleek zich in het afwijkende metaalgebied te bevinden. Krediet: Koichiro Inaga

Onderzoeksresultaten en technieken

In deze studie werd molybdeengermanium (Mo_SGoh_1-S) dunS Met amorfe structuur,^[5] Het staat bekend als een tweedimensionale supergeleider met een uniforme en chaotische structuur en is vervaardigd en gebruikt. Het is 10 nanometer dik (één nanometer is een miljardste van een meter) en belooft fluctuatie-effecten te hebben die kenmerkend zijn voor 2D-systemen.

Omdat fluctuatiesignalen niet kunnen worden gedetecteerd door elektrische weerstandsmetingen omdat ze verborgen zijn in het elektronenverstrooiingssignaal met normale geleiding, hebben we metingen uitgevoerd van het thermo-elektrische effect, dat twee soorten fluctuaties kan detecteren: (1) supergeleidingsfluctuaties (fluctuaties in de supergeleidingscapaciteit) en (2) Beweging van de magnetische fluxlijn (schommelingen in de supergeleidende fase).

Wanneer een temperatuurverschil wordt aangelegd in de longitudinale richting van het monster, genereren de fluctuaties van de supergeleiding en de beweging van magnetische fluxlijnen een spanning in de transversale richting. Daarentegen genereert normale elektronenbeweging spanning voornamelijk in de longitudinale richting. Vooral in monsters zoals amorfe materialen, waar elektronen niet gemakkelijk bewegen, is de spanning die door de elektronen in de transversale richting wordt gegenereerd klein, zodat alleen de fluctuatiebijdrage selectief kan worden gedetecteerd door de transversale spanning te meten (Figuur 1, rechts).

Het thermo-elektrische effect is gemeten in verschillende magnetische velden en bij verschillende temperaturen, variërend van ruim boven de supergeleidingsovergangstemperatuur van 2,4 Kelvin (K) tot wel 0,1 K (1/3000 van 300 K, ° kamertemperatuur) , dat dicht bij het absolute nulpunt ligt. Hieruit blijkt dat supergeleidingsfluctuaties niet alleen aanwezig blijven in het vloeistofgebied van de magnetische flux (donkerrood gebied in figuur 2), waar de supergeleidende fasefluctuaties het duidelijkst zijn, maar ook over een groot gebied van het magnetische temperatuurveld verder naar buiten, dat is beschouwd als het gebied met de normale toestand, waar de supergeleiding wordt vernietigd (het gebied met een hoog magnetisch veld en hoge temperatuur boven de bovenste convexe ononderbroken lijn in figuur 2). Opvallend is dat de snijlijn tussen thermische (klassieke) en kwantumfluctuaties voor het eerst met succes werd ontdekt (dikke ononderbroken lijn in figuur 2).

De waarde van het magnetische veld wanneer de snijlijn het absolute nulpunt bereikt, komt waarschijnlijk overeen met het kwantumkritische punt waar de kwantumfluctuaties het sterkst zijn, en dat punt (witte cirkel in figuur 2) ligt duidelijk binnen het magnetische veldbereik waar een abnormale metaalachtige toestand bestaat. Het werd waargenomen in elektrische weerstand. Het bestaan ​​van dit kwantumkritische punt is tot nu toe niet gedetecteerd uit elektrische weerstandsmetingen.

Dit resultaat laat zien dat de afwijkende metaaltoestand in het magnetische veld op het absolute nulpunt in 2D-supergeleiders, die al dertig jaar onopgelost is gebleven, voortkomt uit het bestaan ​​van een kwantumkritisch punt. Met andere woorden: de afwijkende metallische toestand is een uitgebreide kwantumkritische grondtoestand voor de overgang van supergeleider naar isolator.

Vertakkingen

Metingen van het thermo-elektrische effect verkregen voor conventionele amorfe supergeleiders kunnen worden beschouwd als standaardgegevens voor het thermo-elektrische effect op supergeleiders, omdat ze het effect van fluctuaties in supergeleiding vastleggen zonder de bijdrage van elektronen in de normale toestand. Het thermische effect is belangrijk in termen van de toepassing ervan op elektrische koelsystemen, enz., en er is behoefte aan het ontwikkelen van materialen die een aanzienlijk thermisch effect vertonen bij lage temperaturen om de maximale koeltemperaturen te verlengen. Bij sommige supergeleiders zijn ongebruikelijk grote thermo-elektrische effecten bij lage temperaturen gerapporteerd, en vergelijking met bestaande gegevens kan een aanwijzing opleveren voor de bron ervan.

Toekomstige ontwikkelingen

Een van de academische interesses die in dit onderzoek moet worden ontwikkeld, is het verduidelijken van de theoretische voorspelling dat in 2D-supergeleiders met sterkere lokalisatie-effecten dan het huidige monster, magnetische fluxlijnen zich in een kwantumgecondenseerde toestand zullen bevinden6. In de toekomst zijn we van plan experimenten te publiceren met behulp van de methoden van dit onderzoek om dit uit te zoeken.

De resultaten van dit onderzoek zijn online gepubliceerd in Natuurcommunicatie Op 16 maart 2024.

voorwaarden

1. Fluctuaties in supergeleiding: De sterkte van supergeleiding is niet uniform en fluctueert in tijd en ruimte. Het is normaal dat thermische fluctuaties optreden, maar nabij het absolute nulpunt treden kwantumfluctuaties op op basis van het onzekerheidsprincipe van de kwantummechanica.
2. Thermisch effect: Effect van thermische en elektrische energie-uitwisseling. Er wordt een spanning gegenereerd wanneer er een temperatuurverschil wordt aangelegd, terwijl er een temperatuurverschil ontstaat wanneer er een spanning wordt aangelegd. De eerste wordt onderzocht voor gebruik als apparaat voor energieopwekking en de laatste als koelapparaat. In deze studie werd het gebruikt als een manier om fluctuaties in supergeleiding te detecteren.
3. 2D-supergeleiding: Ultradunne supergeleider. Wanneer de dikte kleiner wordt dan de afstand tussen de elektronenparen die verantwoordelijk zijn voor supergeleiding, wordt het effect van fluctuaties in supergeleiding sterker en zijn de eigenschappen van supergeleiders compleet anders dan die van dikkere supergeleiders.
4. Kwantumkritisch punt, kwantumfase-overgang: De faseovergang die optreedt bij het absolute nulpunt wanneer een parameter zoals het magnetische veld wordt veranderd, wordt een kwantumfaseovergang genoemd en onderscheidt zich van de faseovergang die wordt veroorzaakt door een temperatuurverandering. Het kwantumkritische punt is het faseovergangspunt waar de kwantumfaseovergang plaatsvindtS Ze komen voor waar kwantumfluctuaties het sterkst zijn.
5. Amorfe structuur: Een structuur van materie waarin de atomen op een onregelmatige manier zijn gerangschikt en geen kristallijne structuur hebben.
6. Gecondenseerde kwantumtoestand: Een toestand waarin een groot aantal deeltjes zich in de laagste energietoestand bevinden en zich gedragen als een enkele macroscopische golf. Bij supergeleiding worden veel elektronenparen gecondenseerd. Vloeibaar helium condenseert ook wanneer het wordt afgekoeld tot 2,17 K, wat resulteert in een superieure vloeibaarheid zonder plakkerigheid.

Referentie: “Uitgebreide kwantumkritische grondtoestand in een ongeordende supergeleidende dunne film” door Koichiro Inaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami en Satoshi Okuma, 16 maart 2024, Natuurcommunicatie.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7