_ Descoperirea un punct critic cuantic ascuns în supraconductorii bidimensionali

Fluctuațiile slabe ale supraconductivității, un fenomen precursor al supraconductivității, au fost detectate cu succes de un grup de cercetare de la Institutul de Tehnologie din Tokyo (Tokyo Tech). Această descoperire a fost realizată prin măsurarea efectului termoelectric în supraconductori pe o gamă largă de câmpuri magnetice și pe o gamă largă de temperaturi, de la mult mai mare decât temperatura de tranziție a supraconductoarelor până la temperaturi foarte scăzute aproape de zero absolut. Rezultatele acestui studiu au fost publicate online în Nature Communications pe 16 martie 2024.

Acest lucru a dezvăluit imaginea completă a fluctuațiilor supraconductivității în raport cu temperatura și câmpul magnetic și a demonstrat că originea metalicului anormal. starea în câmpuri magnetice — care a fost o problemă nerezolvată în domeniul supraconductivității bidimensionale timp de 30 de ani — este existența unui punct critic cuantic, în care fluctuațiile cuantice sunt cele mai puternice.

Un supraconductor este un material în care electronii se perechează la temperaturi scăzute, rezultând o rezistență electrică zero. Este folosit ca material pentru electromagneți puternici în RMN medical și în alte aplicații.

De asemenea, sunt considerați cruciali ca elemente logice minuscule în calculatoarele cuantice care funcționează la temperaturi criogenice și este nevoie de elucidarea proprietăților. a supraconductorilor la temperaturi criogenice atunci când sunt microminiaturizați.

Supraconductorii bidimensionali subțiri din punct de vedere atomic sunt puternic afectați de fluctuații și astfel prezintă proprietăți care diferă semnificativ de cele ale supraconductorilor mai groși.

Există două tipuri de fluctuații: termică (clasică), care este mai pronunțată la temperaturi ridicate, și cuantică, care este mai importantă la temperaturi foarte scăzute. Acesta din urmă provoacă o varietate de fenomene interesante. De exemplu, atunci când un câmp magnetic este aplicat perpendicular pe un supraconductor bidimensional la zero absolut și crescut, are loc o tranziție de la supraconductivitate cu rezistență zero la un izolator cu electroni localizați.

Acest fenomen se numește câmp magnetic -tranziția supraconductor-izolator indusă și este un exemplu tipic de tranziție de fază cuantică cauzată de fluctuații cuantice. Cu toate acestea, se știe încă din anii 1990 că pentru probele cu efecte de localizare relativ slabe, apare o stare metalică anormală în regiunea câmpului magnetic intermediar unde rezistența electrică este cu câteva ordine de mărime mai mică decât starea normală.

Originea acestei stări metalice anormale este considerată a fi o stare asemănătoare unui lichid în care liniile de flux magnetic care pătrund în supraconductor se mișcă din cauza fluctuațiilor cuantice.

Cu toate acestea, această predicție nu a fost fundamentată deoarece Majoritatea experimentelor anterioare pe supraconductori bidimensionali au folosit măsurători de rezistivitate electrică care examinează răspunsul tensiunii la curent, făcând dificilă distingerea între semnalele de tensiune care provin din mișcarea liniilor de flux magnetic și cele care provin din împrăștierea electronilor conducători normali. /p>

O echipă de cercetare condusă de profesorul asistent Koichiro Ienaga și profesorul Satoshi Okuma de la Departamentul de Fizică, Școala de Științe din Tokyo Tech raportează în Physical Review Letters în 2020 că mișcarea cuantică a liniilor de flux magnetic are loc într-un metal anormal. stare prin utilizarea efectului termoelectric, în care tensiunea este generată în raport cu fluxul de căldură (gradientul de temperatură) mai degrabă decât cu curentul.

Pentru a clarifica în continuare originea stării metalice anormale, este necesar să se elucideze mecanismul. prin care starea supraconductoare este distrusă prin fluctuația cuantică și trecerea la starea normală (izolantă).

În acest studiu, au efectuat măsurători menite să detecteze starea de fluctuație supraconductivă, care este o stare precursoare a supraconductivității și se crede că există în stare normală.

Rezultatele cercetării

p>

În acest studiu, a fost fabricată și utilizată o peliculă subțire de molibden-germaniu (MoxGe1-x) cu o structură amorfă, cunoscută sub numele de supraconductor bidimensional cu structură și dezordine uniforme. Are o grosime de 10 nanometri (un nanometru este o miliardime dintr-un metru) și promite să aibă efectele de fluctuație caracteristice sistemelor bidimensionale.

Deoarece semnalele de fluctuație nu pot fi detectate prin măsurători de rezistivitate electrică deoarece sunt îngropate. în semnalul împrăștierii electronilor cu conducție normală, cercetătorii au efectuat măsurători cu efect termoelectric, care pot detecta două tipuri de fluctuații: 1) fluctuații supraconductoare (fluctuații în amplitudinea supraconductivității) și 2) mișcarea liniei de flux magnetic (fluctuații în faza de supraconductivitate).

Când se aplică o diferență de temperatură pe direcția longitudinală a probei, fluctuațiile supraconductoare și mișcarea liniilor de flux magnetic generează o tensiune în direcția transversală.

În schimb, mișcarea normală a electronilor generează tensiune în primul rând pe direcția longitudinală. În eșantioane precum materialele amorfe, unde electronii nu se mișcă ușor, tensiunea generată de electroni în direcția transversală este neglijabilă, astfel încât contribuția la fluctuație singură poate fi detectată selectiv prin măsurarea tensiunii transversale.

Termoelectricul. efectul a fost măsurat într-o varietate de câmpuri magnetice și într-o varietate de temperaturi variind de la mult mai mare decât temperatura de tranziție supraconductoare de 2,4 K (Kelvin) la o temperatură foarte scăzută de 0,1 K (1/3000 din 300 K, temperatura camerei) , care este aproape de zero absolut. Acest lucru dezvăluie că fluctuațiile supraconductoare supraviețuiesc nu numai în regiunea lichidă a fluxului magnetic, unde fluctuațiile fazei supraconductoare sunt mai pronunțate, ci și într-o regiune largă de temperatură-câmp magnetic mai îndepărtată, care este considerată a fi regiunea de stare normală, unde supraconductivitatea. este distrus.

În special, linia de încrucișare dintre fluctuațiile termice (clasice) și cele cuantice a fost detectată cu succes pentru prima dată. Valoarea câmpului magnetic atunci când linia de încrucișare ajunge la zero absolut corespunde probabil punctului critic cuantic în care fluctuațiile cuantice sunt cele mai puternice, iar acel punct este situat în mod clar în domeniul câmpului magnetic unde a fost observată o stare metalică anormală în rezistența electrică. /p>

Nu a fost posibil să se detecteze existența acestui punct critic cuantic din măsurătorile de rezistivitate electrică până în prezent. Acest rezultat dezvăluie că starea metalică anormală într-un câmp magnetic la zero absolut în supraconductorii bidimensionali, care a rămas nerezolvată timp de 30 de ani, provine din existența punctului critic cuantic. Cu alte cuvinte, starea metalică anormală este o stare fundamentală cuantică lărgită pentru tranziția supraconductor-izolator.

Măsurătorile efectului termoelectric obținute pentru supraconductorii convenționali amorfi pot fi considerate date standard pentru efectul termoelectric asupra supraconductorilor. , deoarece captează pur efectul fluctuațiilor supraconductivității fără aportul electronilor în stare normală.

Efectul termoelectric este important în ceea ce privește aplicarea lui la sistemele electrice de răcire etc. și este nevoie pentru a dezvolta materiale care prezintă un efect termoelectric mare la temperaturi scăzute pentru a extinde limita temperaturilor de răcire. Au fost raportate efecte termoelectrice anormal de mari la temperaturi scăzute în anumiți supraconductori, iar compararea cu datele prezente poate oferi un indiciu cu privire la originea lor.

Cercetările viitoare ar putea demonstra predicția teoretică că, în supraconductorii bidimensionali cu efecte de localizare mai puternice decât eșantionul prezent, liniile de flux magnetic vor fi într-o stare de condensare cuantică. În continuare, cercetătorii intenționează să implementeze experimente folosind metodele acestui studiu, cu scopul de a le detecta.

(Fluierul)