Понедельник, 15 апреля, 2024
ДомойФизикаКвантовый прорыв раскрывает скрытую природу сверхпроводника

Квантовый прорыв раскрывает скрытую природу сверхпроводника

- Advertisement -

Исследователи из Токийского технологического института определили квантовую критическую точку в сверхпроводниках, разгадав загадку трехдесятилетней давности и улучшив понимание флуктуаций сверхпроводимости. Фото: SciTechDaily.com

Термоэлектрический эффект раскрывает полную картину флуктуаций сверхпроводимости.

Слабые флуктуации сверхпроводимости,[1] явление, предшествующее сверхпроводимости, было успешно обнаружено исследовательской группой Токийского технологического института (Tokyo Tech). Этот прорыв был достигнут путем измерения термоэлектрического эффекта.[2] в сверхпроводниках в широком диапазоне магнитных полей и в широком диапазоне температур от гораздо более высоких, чем температура сверхпроводящего перехода, до очень низких температур, близких к абсолютный ноль.

Это раскрыло полную картину флуктуаций сверхпроводимости в зависимости от температуры и магнитного поля и продемонстрировало, что происхождение аномального металлического состояния в магнитных полях, которое до сих пор было нерешенной проблемой в области двумерной сверхпроводимости.[3] в течение 30 лет, является существование квантовой критической точки[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 считаются важными в качестве крошечных логических элементов в квантовых компьютерах, работающих при криогенных температурах, и существует необходимость выяснения свойств сверхпроводников при криогенных температурах, когда они микроминиатюризированы.

Атомарно тонкие двумерные сверхпроводники сильно подвержены флуктуациям и поэтому проявляют свойства, существенно отличающиеся от свойств более толстых сверхпроводников. Существует два типа флуктуаций: тепловые (классические), которые более выражены при высоких температурах, и квантовые, которые более важны при очень низких температурах, и последние вызывают множество интересных явлений.

Например, когда магнитное поле приложено перпендикулярно к двумерному сверхпроводнику при абсолютном нуле и увеличивается, происходит переход от сверхпроводимости с нулевым сопротивлением к изолятору с локализованными электронами. Это явление называется переходом сверхпроводник-изолятор, индуцированным магнитным полем, и является типичным примером квантового фазового перехода.[4] вызванные квантовыми флуктуациями.

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

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 жидкоподобное состояние, в котором линии магнитного потока (рис. 1 слева), проникающие в сверхпроводник, движутся из-за квантовых флуктуаций.

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

Исследовательская группа под руководством доцента Коитиро Иэнаги и профессора Сатоши Окума с кафедры физики Школы наук Токийского технологического института сообщила в Письма о физических отзывах в 2020 году квантовое движение линий магнитного потока происходит в аномальном металлическом состоянии с использованием термоэлектрического эффекта, при котором напряжение генерируется относительно теплового потока (градиент 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 сверхпроводящего флуктуационного состояния (в центре рис. 1), которое является состоянием-предшественником сверхпроводимости и, как полагают, существует в нормальном состоянии.

Рис. 2. Полная картина флуктуаций сверхпроводимости выявлена ​​в широком диапазоне магнитных полей и в широком диапазоне температур, от значительно более высокой, чем температура сверхпроводящего перехода, до очень низкой температуры 0,1 К. Существование линии пересечения между тепловыми Впервые продемонстрированы (классические) и квантовые флуктуации, и обнаружено, что квантовая критическая точка, в которой эта линия достигает абсолютного нуля, существует внутри аномальной металлической области. Фото: Коитиро Иэнага

Научные достижения и методы

В этом исследовании молибден-германий (MoИксГе1-Икс) тонкая пленкас с аморфной структурой,[5] был изготовлен и использован двумерный сверхпроводник с однородной структурой и беспорядком. Его толщина составляет 10 нанометров (один нанометр — это одна миллиардная метра) и обещает обладать флуктуационными эффектами, характерными для двумерных систем.

Поскольку сигналы флуктуаций не могут быть обнаружены с помощью измерений электросопротивления, поскольку они скрыты в сигнале рассеяния электронов нормальной проводимости, мы провели измерения термоэлектрического эффекта, которые могут обнаружить два типа флуктуаций: (1) сверхпроводящие флуктуации (флуктуации амплитуды сверхпроводимости ) и (2) движение линий магнитного потока (флуктуации фазы сверхпроводимости).

При приложении разницы температур в продольном направлении образца сверхпроводящие флуктуации 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, незначительно, поэтому вклад только 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 сверхпроводящего перехода (2,4 К) до очень низкой температуры 0,1 К (1/3000 от 300 К, комнатной температуры). ), что близко к абсолютному нулю. Это показывает, что сверхпроводящие флуктуации сохраняются не только в жидкой области магнитного потока (темно-красная область на рис. 2), где флуктуации сверхпроводящей фазы более выражены, но и в широкой области температуры и магнитного поля дальше наружу, которая считается – область нормального состояния, в которой разрушается сверхпроводимость (область высоких температур и сильных магнитных полей над верхней выпуклой сплошной линией на рис. 2). Примечательно, что впервые была успешно обнаружена линия пересечения тепловых (классических) и квантовых флуктуаций (толстая сплошная линия на рис. 2).

Значение магнитного поля, когда линия кроссовера достигает абсолютного нуля, вероятно, соответствует квантовой критической точке, где квантовые флуктуации наиболее сильны, и эта точка (белый кружок на рис. 2) явно расположена внутри диапазона магнитного поля, где аномальное металлическое состояние наблюдалось в электрическом сопротивлении. До сих пор не удавалось обнаружить существование этой квантовой критической точки на основе измерений удельного электрического сопротивления.

Этот результат показывает, что аномальное металлическое состояние в магнитном поле при абсолютном нуле в двумерных сверхпроводниках, которое остается неразрешенным в течение 30 лет, возникает из-за существования квантовой критической точки. Другими словами, аномальное металлическое состояние представляет собой расширенное квантовое критическое основное состояние для перехода сверхпроводник-изолятор.

Подразумеваемое

Измерения термоэлектрического эффекта, полученные для аморфных обычных сверхпроводников, можно рассматривать как стандартные данные для термоэлектрического эффекта на сверхпроводниках, поскольку они отражают исключительно эффект флуктуаций сверхпроводимости без вклада электронов в нормальном состоянии. Термоэлектрический эффект важен с точки зрения его применения в системах электрического охлаждения и т. д., и существует необходимость в разработке материалов, которые проявляют большой термоэлектрический эффект при низких температурах, чтобы расширить предел температур охлаждения. Сообщалось об аномально сильных термоэлектрических эффектах при низких температурах в некоторых сверхпроводниках, и сравнение с современными данными может дать ключ к разгадке их происхождения.

Будущее развитие

Академический интерес, который будет развиваться в этом исследовании, представляет собой демонстрацию теоретического предсказания о том, что в двумерных сверхпроводниках с более сильными эффектами локализации, чем в настоящем образце, линии магнитного потока будут находиться в квантово-конденсированном состоянии6. В дальнейшем мы планируем развернуть эксперименты с использованием методов данного исследования с целью их обнаружения.

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 квантовомеханическом принципе неопределенности.
  2. Термоэлектрический эффект: Эффект обмена тепловой и электрической энергии. Напряжение генерируется при приложении разницы температур, а разница температур создается при приложении напряжения. Первый изучается на предмет применения в качестве устройства для выработки электроэнергии, а второй – в качестве устройства охлаждения. В данном исследовании он используется как метод обнаружения флуктуаций сверхпроводимости.
  3. Двумерная сверхпроводимость: Очень тонкий сверхпроводник. Когда толщина становится тоньше расстояния между парами электронов, ответственных за сверхпроводимость, эффект флуктуаций сверхпроводимости становится сильнее, и свойства сверхпроводников сильно отличаются от свойств 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 происходят и где квантовые флуктуации наиболее сильны.
  5. Аморфная структура: Структура материала, в которой атомы расположены неравномерно и не имеет кристаллической структуры.
  6. Квантовое конденсированное состояние: Состояние, в котором большое количество частиц попадает в состояние с самой низкой энергией и ведет себя как сингулярная макроскопическая волна. В сверхпроводящем состоянии конденсируется множество пар электронов. Жидкий гелий также конденсируется при охлаждении до 2,17 К, создавая сверхтекучесть с нулевой вязкостью.

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

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме