Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) närmar sig det två decennier gamla mysteriet om varför ett avvikande metalliskt tillstånd uppträder i överledaren-isolatorövergången i 2-D superledare. Genom experimentella mätningar av en termoelektrisk effekt, de fann att kvantvätsketillståndet för kvantvirvlar orsakar det avvikande metalliska tillståndet. Resultaten förtydligar övergångens art och kan hjälpa till med utformningen av supraledande enheter för kvantdatorer.

Det supraledande tillståndet, i vilken ström flödar med noll elektrisk motstånd, har fascinerat fysiker sedan dess upptäckt 1911. Det har studerats ingående inte bara på grund av dess möjliga tillämpningar utan också för att få en bättre förståelse av kvantfenomen. Även om forskare vet mycket mer om detta märkliga tillstånd nu än på 1900 -talet, det verkar inte finnas något slut på de mysterier som superledare har.

En känd, tekniskt relevant exempel är överledar-isolatorövergången (SIT) i tvådimensionella (2-D) material. Om man kyler ned tunna filmer av vissa material till nära absolut noll temperatur och applicerar ett externt magnetfält, effekterna av termiska fluktuationer undertrycks tillräckligt så att rent kvantfenomen (som supraledning) dominerar makroskopiskt. Även om kvantmekanik förutspår att SIT är en direkt övergång från ett tillstånd till det andra, flera experiment har visat förekomsten av ett avvikande metalliskt tillstånd som ingriper mellan båda faserna.

Än så länge, ursprunget till denna mystiska mellanstat har undvikit forskare i över två decennier. Det är därför ett team av forskare från Institutionen för fysik vid Tokyo Tech, Japan, nyligen bestämde sig för att hitta ett svar på frågan i en studie publicerad i Fysiska granskningsbrev . Biträdande professor Koichiro Ienaga, som ledde studien, förklarar deras motivation, "Det finns teorier som försöker förklara ursprunget till dissipativt motstånd vid noll temperatur i 2-D superledare, men inga definitiva experimentella demonstrationer med resistensmätningar har gjorts för att entydigt klargöra varför SIT skiljer sig från de förväntade kvantfasövergångsmodellerna. "

Forskarna använde en amorf molybden-germanium (MoGe) tunn film nedkyld till en extremt låg temperatur på 0,1 K och applicerade ett externt magnetfält. De mätte en tvärgående termoelektrisk effekt genom filmen kallad "Nernst -effekten, "som känsligt och selektivt kan undersöka supraledande fluktuationer orsakade av mobilt magnetiskt flöde. Resultaten avslöjade något viktigt om beskaffenheten hos det avvikande metalliska tillståndet:" kvantvätskestatus "hos kvantvirvlar orsakar det anomala metalliska tillståndet. Kvantvätskestatus är speciellt tillstånd där partiklarna inte fryses även vid noll temperatur på grund av kvantfluktuationerna.

Viktigast, experimenten avslöjade att det avvikande metalliska tillståndet kommer från kvantkritik; den säregna utvidgade kvantkritiska regionen vid noll temperatur motsvarar det avvikande metalliska tillståndet. Detta står i skarp kontrast till den kvantkritiska "punkten" vid noll temperatur i den vanliga SIT. Fasövergångar medierade av rent kvantfluktuationer (kvantkritiska punkter) har varit långvariga pussel i fysik, och denna studie ger oss ett steg närmare att förstå SIT för 2-D superledare. Upphetsad över de övergripande resultaten, Ienaga anmärker, "Detektera supraledande fluktuationer med precision i en rent kvantregim, som vi har gjort i denna studie, öppnar ett nytt sätt för nästa generations supraledande enheter, inklusive q-bitar för kvantdatorer. "

Nu när denna studie har belyst det två decennier gamla SIT-mysteriet, ytterligare forskning kommer att krävas för att få en mer exakt förståelse av kvantvirvlarnas bidrag i det avvikande metalliska tillståndet. Låt oss hoppas att superledningens enorma kraft snart är nära!