Квантовый прорыв раскрывает скрытую природу сверхпроводника

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.

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.

Научные достижения и методы

В этом исследовании молибден-германий (Mo_ИксГе_1-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