Tillämpningen av tillräckligt stora magnetfält leder till störningar av supraledande tillstånd i material, även vid drastiskt låg temperatur, och därigenom ändra dem direkt till isolatorer - eller så trodde man traditionellt. Nu, forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), University of Tokyo och Tohoku University rapporterar nyfikna flerstatliga övergångar av dessa superledare där de övergår från superledare till specialmetall och sedan till isolator.

Kännetecknas av deras noll elektriska motstånd, eller alternativt, deras förmåga att helt utvisa yttre magnetfält, superledare har fascinerande utsikter för både grundläggande fysik och tillämpningar för t.ex. supraledande spolar för magneter. Detta fenomen förstås genom att överväga ett mycket ordnat förhållande mellan elektronerna i systemet. På grund av en koherens över hela systemet, elektroner bildar bundna par och flödar utan kollisioner som ett kollektiv, vilket resulterar i ett perfekt ledande tillstånd utan energispridning. Dock, vid införande av ett magnetfält, elektronerna kan inte längre behålla sitt sammanhängande förhållande, och supraledningen går förlorad. För en given temperatur, det högsta magnetfältet under vilket ett material förblir supraledande kallas det kritiska fältet.

Ofta präglas dessa kritiska punkter av fasövergångar. Om förändringen är abrupt som vid issmältning, det är en första ordningens övergång. Om övergången sker gradvis och kontinuerligt genom tillväxten av förändringsdrivande fluktuationer som sträcker sig över hela systemet, det kallas en andra ordningens övergång. Att studera överledarnas övergångsväg när det utsätts för det kritiska fältet kan ge insikter i de involverade kvantprocesserna och tillåta oss att designa smartare superledare (SC) för tillämpning på avancerad teknik.

Intressant, tvådimensionella supraledare (2-D SC) är de perfekta kandidaterna för att studera denna typ av fasövergångar och en sådan ny kandidat är ett mono-enhetskikt av NbSe ₂ . Eftersom mindre dimension (tjocklek) av superledare innebär ett mindre antal möjliga partners för elektroner att bilda supraledande par, den minsta störningen kan sätta en fasövergång. Vidare, 2-D SC är relevant ur perspektivet för applikationer inom småskalig elektronik.

I sådana material, att höja det applicerade magnetfältet förbi ett kritiskt värde leder till ett suddigt tillstånd där magnetfältet tränger in i materialet, men motståndet är fortfarande minimalt. Det är först när magnetfältet ökar ytterligare som superledningen förstörs och materialet görs till en vanlig isolator. Detta kallas superledar-till-isolator fasövergång. Eftersom detta fenomen observeras vid mycket låga temperaturer, kvantfluktuationerna i systemet blir jämförbara med, eller till och med större än, de klassiska termiska svängningarna. Därför, detta kallas en kvantfasövergång.

För att förstå fasövergångens väg samt det suddiga eller blandade tillstånd som finns mellan de kritiska fältstyrkorna i NbSe ₂ ultratunn superledare, en grupp forskare mätte materialets magnetoresistans (se bild 1), eller svaret på en SC:s resistivitet när den utsätts för externt magnetfält. Professor Ichinokura bly säger, "Med hjälp av en fyrpunktssond, vi uppskattade det kritiska magnetfältet vid respektive kvantfasgränser i det monoskiktade NbSe ₂ . "(se bild 2)

De fann att som ett litet magnetfält appliceras på SC, det koherenta flödet av elektroner bryts, men elektronparen finns fortfarande kvar. Detta beror på rörelse av virvlar; de rörliga virvlarna skapar ett ändligt motstånd. Ursprunget till detta minimala motstånd tolkades som att materialet kommer in i ett speciellt tillstånd av Bose metal (BM), som förändrades till ett isolerande tillstånd vid ytterligare ökning av magnetfältet. Teamet fann också att övergången mellan normala och SC -tillstånd kring den kritiska temperaturen drevs av kvantfluktuationer, återspeglar också en liknande multi-övergångsväg. Professor Ichinokura säger, "Skalningsanalysen baserad på modellen av Bose-metallen förklarade övergången i två steg, som tyder på att det finns ett bosoniskt grundtillstånd. "

Denna studie förstärker de teoretiska påståenden om flerfasövergångar i superledare tack vare det tunnaste provet av atomskala tjocklek, och skjuter gränsen för forskning vidare.