Kvantový průlom odhaluje skrytou povahu supravodičů

Tepelný efekt odhaluje úplný obraz kolísání supravodivosti.

slabé kolísání supravodivosti,^[1] Fenomén supravodivosti byl úspěšně objeven výzkumnou skupinou na Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech). Tohoto výkonu bylo dosaženo měřením tepelného efektu^[2] V supravodičích v širokém rozsahu magnetických polí a v širokém rozsahu teplot od značně nad teplotou supravodivého přechodu až po velmi nízké teploty blízké Absolutní nula.

To odhalilo úplný obraz fluktuací supravodivosti s ohledem na teplotu a magnetické pole a demonstrovalo původ anomálního kovového stavu v magnetických polích, což byl nevyřešený problém v oblasti 2D supravodivosti.^[3] 30 let existuje kritický kvantový bod^[4] Kde jsou kvantové fluktuace nejsilnější.

Pochopení supravodičů

Supravodič je materiál, ve kterém se elektrony párují při nízkých teplotách, což má za následek nulový elektrický odpor. Používá se jako materiál pro výkonné elektromagnety v lékařské MRI a dalších aplikacích. Jsou také klíčové jako malé logické prvky v kvantových počítačích, které pracují při nízkých teplotách, a je potřeba objasnit vlastnosti nízkoteplotních supravodičů při jejich miniaturizaci.

Atomově tenké 2D supravodiče jsou silně ovlivněny fluktuacemi a vykazují tak vlastnosti, které se výrazně liší od vlastností tlustších supravodičů. Existují dva typy fluktuací: tepelné (klasické), které jsou výraznější při vysokých teplotách, a kvantové, které jsou výraznější při velmi nízkých teplotách, přičemž druhý způsob způsobuje řadu zajímavých jevů.

Například, když je magnetické pole aplikováno kolmo na dvourozměrný supravodič v absolutní nule a rostoucí, dochází k přechodu ze supravodiče s nulovým odporem k izolátoru s lokalizovanými elektrony. Tento jev se nazývá supravodivý přechod izolátoru indukovaný magnetickým polem a je typickým příkladem kvantového fázového přechodu^[4] Způsobeno kvantovými fluktuacemi.

Obrázek 1. (vlevo) V magnetickém poli v mezoměřítku prorážejí čáry magnetického toku ve formě defektů doprovázených víry supravodivých proudů. (Uprostřed) Konceptuální diagram stavu „kolísání supravodivosti“, předchůdce supravodivosti. Vznikají časově proměnlivé, prostorově nejednotné, bublinovité supravodivé oblasti. (Vpravo) Schéma měření tepelného efektu. Pohyb čáry magnetického toku a kolísání supravodivosti generují napětí kolmé k tepelnému toku (teplotní gradient). Kredit: Koichiro Inaga

Od 90. let je však známo, že u vzorků s relativně slabými lokalizačními účinky se v oblasti středního magnetického pole objevuje anomální kovový stav, kde je elektrický odpor o několik řádů nižší než normální stav. Předpokládá se, že původem tohoto anomálního kovového stavu je stav podobný kapalině, ve kterém se magnetické tokové čáry (obrázek 1 vlevo), které pronikají supravodičem, pohybují kvantovými fluktuacemi.

Tato předpověď však nebyla prokázána, protože většina předchozích experimentů na 2D supravodičích používala měření elektrického odporu, která zkoumala odezvu napětí na proud, což ztěžovalo rozlišení mezi napěťovými signály vznikajícími při pohybu magnetických siločar a těmi, které vznikají při rozptylu. elektronů s normálním vedením.

Výzkumný tým pod vedením asistenta profesora Koichiro Inaga a profesora Satoshi Okumy z katedry fyziky Přírodovědecké fakulty Tokijské technické univerzity informoval v roce Fyzické kontrolní dopisy 2020 Kvantový pohyb magnetických siločar nastává v anomálním kovovém stavu pomocí termoelektrického jevu, kde je elektrické napětí generováno s ohledem na tepelný tok (teplotní gradient) spíše než proud.

Pro další objasnění původu anomálního kovového stavu je však nutné objasnit mechanismus, kterým je supravodivý stav zničen kvantovou fluktuací a přechody do normálního (izolačního) stavu. V této studii provedli měření zaměřená na detekci fluktuačního stavu supravodivosti (uprostřed obrázku 1), stavu předchůdce supravodivosti, o kterém se předpokládá, že existuje v přirozeném stavu.

Obrázek 2. Úplný obraz fluktuací supravodivosti je odhalován v širokém rozsahu magnetického pole a v širokém rozsahu teplot, od značně nad teplotou supravodivého přechodu až po 0,1 K. Poprvé byla prokázána existence průsečíku mezi teplem (klasickým) a kvantovými fluktuacemi a bylo zjištěno, že kvantový kritický bod, ve kterém tato čára dosáhne absolutní nuly, se nachází v anomální kovové oblasti. Kredit: Koichiro Inaga

Výzkumné úspěchy a techniky

V této studii molybden germanium (Mo_sPáni_1-s) tenkýs S amorfní strukturou,^[5] Byl vyroben a používán, známý jako dvourozměrný supravodič s jednotnou a chaotickou strukturou. Je 10 nanometrů tlustý (jeden nanometr je miliardtina metru) a slibuje, že bude mít fluktuační efekty charakteristické pro 2D systémy.

Protože fluktuační signály nelze detekovat měřením elektrického odporu, protože jsou pohřbeny v normálním vodivostním signálu rozptylu elektronů, provedli jsme měření termoelektrického jevu, které dokáže detekovat dva typy fluktuací: (1) fluktuace supravodivosti (kolísání supravodivé kapacity) a ( 2) Pohyb čáry magnetického toku (kolísání supravodivé fáze).

Když je teplotní rozdíl aplikován v podélném směru vzorku, kolísání supravodivosti a pohyb magnetických siločar generuje napětí v příčném směru. Naproti tomu normální pohyb elektronů generuje napětí hlavně v podélném směru. Zejména ve vzorcích, jako jsou amorfní materiály, kde se elektrony nepohybují snadno, je napětí generované elektrony v příčném směru malé, takže samotný příspěvek fluktuace lze selektivně detekovat měřením příčného napětí (obrázek 1, vpravo).

Termoelektrický efekt byl měřen v různých magnetických polích a při různých teplotách v rozmezí od značně nad teplotou přechodu supravodivosti 2,4 kelvinu (K) až po 0,1 K (1/3000 z 300 K, ° pokojová teplota) , která se blíží absolutní nule. To ukazuje, že fluktuace supravodivosti zůstávají přítomny nejen v kapalné oblasti magnetického toku (tmavě červená oblast na obrázku 2), kde jsou fluktuace supravodivé fáze nejzřetelnější, ale také v široké oblasti teplotního magnetického pole dále směrem ven, což je považována za oblast normálního stavu, kde je zničena supravodivost (oblast vysokého magnetického pole a vysoké teploty nad horní konvexní plnou čarou na obrázku 2). Je pozoruhodné, že poprvé byla úspěšně objevena průsečík mezi tepelnými (klasickými) a kvantovými fluktuacemi (silná plná čára na obrázku 2).

Hodnota magnetického pole, když průsečík dosáhne absolutní nuly, pravděpodobně odpovídá kvantovému kritickému bodu, kde jsou kvantové fluktuace nejsilnější, a tento bod (bílý kruh na obrázku 2) jasně leží v rozsahu magnetického pole, kde existuje anomální kovový stav. Bylo to pozorováno na elektrickém odporu. Existence tohoto kvantového kritického bodu nebyla dosud z měření elektrického odporu zjištěna.

Tento výsledek odhaluje, že anomální kovový stav v magnetickém poli při absolutní nule ve 2D supravodičech, který zůstal nevyřešen po dobu 30 let, vzniká z existence kvantového kritického bodu. Jinými slovy, anomální kovový stav je rozšířený kvantově kritický základní stav pro přechod ze supravodiče na izolátor.

Důsledky

Měření termoelektrického jevu získané pro konvenční amorfní supravodiče lze považovat za standardní data pro termoelektrický efekt na supravodičech, protože zachycují vliv fluktuací supravodivosti bez přispění elektronů v normálním stavu. Tepelný efekt je důležitý z hlediska jeho aplikace v elektrických chladicích systémech atd. a je potřeba vyvinout materiály, které vykazují významný tepelný efekt při nízkých teplotách, aby se prodloužily maximální chladicí teploty. U některých supravodičů byly hlášeny neobvykle velké termoelektrické efekty při nízkých teplotách a srovnání s existujícími daty může poskytnout vodítko k jejich zdroji.

Budoucí vývoj

Jedním z akademických zájmů, které je třeba v této studii rozvinout, je objasnit teoretickou předpověď, že ve 2D supravodičech se silnějšími lokalizačními účinky než tento vzorek budou čáry magnetického toku v kvantově kondenzovaném stavu6. V budoucnu plánujeme publikovat experimenty využívající metody této studie, abychom to zjistili.

Výsledky této studie byly zveřejněny online v Příroda komunikace 16. března 2024.

podmínky

1. Kolísání supravodivosti: Síla supravodivosti není rovnoměrná a kolísá v čase a prostoru. Je normální, že dochází k tepelným fluktuacím, ale v blízkosti absolutní nuly dochází ke kvantovým fluktuacím na základě principu neurčitosti kvantové mechaniky.
2. Tepelný efekt: Vliv výměny tepelné a elektrické energie. Napětí je generováno, když je aplikován teplotní rozdíl, zatímco teplotní rozdíl je vytvářen, když je aplikováno napětí. První je studován pro použití jako zařízení pro výrobu energie a druhý jako chladicí zařízení. V této studii byl použit jako způsob detekce kolísání supravodivosti.
3. 2D supravodivost: Ultratenký supravodič. Když se tloušťka zmenší než vzdálenost mezi páry elektronů odpovědných za supravodivost, účinek fluktuací supravodivosti se zesílí a vlastnosti supravodičů jsou zcela odlišné od vlastností tlustších supravodičů.
4. Kvantový kritický bod, kvantový fázový přechod: Fázový přechod, ke kterému dochází v absolutní nule, když se změní parametr, jako je magnetické pole, se nazývá kvantový fázový přechod a odlišuje se od fázového přechodu způsobeného změnou teploty. Kvantový kritický bod je bod fázového přechodu, kde probíhá kvantový fázový přechods Vyskytují se tam, kde jsou kvantové fluktuace nejsilnější.
5. Amorfní struktura: Struktura hmoty, ve které jsou atomy uspořádány nepravidelně a nemají krystalickou strukturu.
6. Kondenzovaný kvantový stav: Stav, kdy je velké množství částic v nejnižším energetickém stavu a chová se jako jediná makroskopická vlna. V supravodivosti dochází ke kondenzaci mnoha párů elektronů. Kapalné helium také kondenzuje při ochlazení na 2,17 K, což má za následek vynikající tekutost bez lepivosti.

Odkaz: „Rozšířený kvantově kritický základní stav v neuspořádaném supravodivém tenkém filmu“ od Koichiro Inaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami a Satoshi Okuma, 16. března 2024, Příroda komunikace.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7