Svaga fluktuationer i supraledning, ett föregångarfenomen till supraledning, har framgångsrikt upptäckts av en forskargrupp vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech). Detta genombrott uppnåddes genom att mäta den termoelektriska effekten i supraledare över ett brett spektrum av magnetfält och över ett brett intervall av temperaturer, från mycket högre än den supraledande övergångstemperaturen till mycket låga temperaturer nära absolut noll. Resultaten av denna studie publicerades online i Nature Communications den 16 mars 2024.
Detta avslöjade den fullständiga bilden av fluktuationer i supraledning med avseende på temperatur och magnetfält, och visade att ursprunget till det anomala metalliska tillståndet i magnetiska fält – som har varit ett olöst problem inom området för tvådimensionell supraledning i 30 år – är förekomsten av en kvantkritisk punkt, där kvantfluktuationer är som starkast.
En supraledare är ett material där elektroner parar ihop sig vid låga temperaturer, vilket resulterar i noll elektriskt motstånd. Det används som material för kraftfulla elektromagneter i medicinsk MRI och andra tillämpningar.
De anses också vara avgörande som små logiska element i kvantdatorer som arbetar vid kryogena temperaturer, och det finns ett behov av att belysa egenskaperna hos supraledare vid kryogena temperaturer när de mikrominiatyriseras.
Atomtunna tvådimensionella supraledare påverkas starkt av fluktuationer och uppvisar därmed egenskaper som skiljer sig väsentligt från tjockare supraledares.
Det finns två typer av fluktuationer:termisk (klassisk), som är mer uttalad vid höga temperaturer, och kvant, som är viktigare vid mycket låga temperaturer. Det senare orsakar en mängd intressanta fenomen. Till exempel, när ett magnetfält appliceras vinkelrätt mot en tvådimensionell supraledare vid absolut noll och ökat, sker en övergång från nollresistans supraledning till en isolator med lokaliserade elektroner.
Detta fenomen kallas den magnetfältsinducerade supraledare-isolatorövergången och är ett typiskt exempel på en kvantfasövergång orsakad av kvantfluktuationer. Det har dock varit känt sedan 1990-talet att för prover med relativt svaga lokaliseringseffekter uppstår ett anomalt metalliskt tillstånd i det mellanliggande magnetfältsområdet där det elektriska motståndet är flera storleksordningar lägre än det normala tillståndet.
Ursprunget till detta anomala metalliska tillstånd tros vara ett vätskeliknande tillstånd där magnetiska flödeslinjer som tränger in i supraledaren rör sig runt på grund av kvantfluktuationer.
Denna förutsägelse har dock inte styrkts eftersom de flesta tidigare experiment på tvådimensionella supraledare har använt elektriska resistivitetsmätningar som undersöker spänningssvaret på ström, vilket gör det svårt att skilja mellan spänningssignaler som härrör från rörelsen hos magnetiska flödeslinjer och de som härrör från spridningen av normalt ledande elektroner.
En forskargrupp ledd av biträdande professor Koichiro Ienaga och professor Satoshi Okuma vid Institutionen för fysik, School of Science vid Tokyo Tech rapporterar i Physical Review Letters år 2020 sker den kvantrörelse hos magnetiska flödeslinjer i ett anomalt metalliskt tillstånd genom att använda den termoelektriska effekten, där spänning genereras med avseende på värmeflöde (temperaturgradient) snarare än ström.
För att ytterligare klargöra ursprunget till det anomala metalliska tillståndet är det nödvändigt att belysa mekanismen genom vilken det supraledande tillståndet förstörs av kvantfluktuationer och övergångar till det normala (isolerande) tillståndet.
I den här studien utförde de mätningar som syftade till att detektera det supraledande fluktuationstillståndet, vilket är ett prekursortillstånd för supraledning och tros existera i det normala tillståndet.
Forskningsresultat
I denna studie, ett molybden-germanium (Mox Ge1-x ) tunna filmer med en amorf struktur, känd som en tvådimensionell supraledare med enhetlig struktur och oordning, tillverkades och användes. Den är 10 nanometer tjock (en nanometer är en miljarddels meter) och lovar att ha de fluktuationseffekter som är karakteristiska för tvådimensionella system.
Eftersom fluktuationssignaler inte kan detekteras genom elektriska resistivitetsmätningar eftersom de är begravda i signalen från normalledande elektronspridning, utförde forskarna termoelektriska effektmätningar, som kan detektera två typer av fluktuationer:1) supraledande fluktuationer (fluktuationer i amplituden av supraledning). ) och 2) magnetisk flödeslinjerörelse (fluktuationer i supraledningsfasen).
När en temperaturskillnad appliceras i provets längdriktning genererar de supraledande fluktuationerna och rörelsen hos de magnetiska flödeslinjerna en spänning i tvärriktningen.
Däremot genererar normal elektronrörelse spänning i första hand i längdriktningen. I prover som amorfa material, där elektroner inte rör sig lätt, är spänningen som genereras av elektroner i tvärriktningen försumbar, så enbart fluktuationsbidraget kan detekteras selektivt genom att mäta tvärspänningen.
Den termoelektriska effekten mättes i en mängd olika magnetfält och i en mängd olika temperaturer från mycket högre än den supraledande övergångstemperaturen på 2,4 K (Kelvin) till en mycket låg temperatur på 0,1 K (1/3000 av 300 K, rummet temperatur), som är nära absolut noll. Det avslöjar att supraledande fluktuationer inte bara överlever i vätskeområdet för det magnetiska flödet, där supraledande fasfluktuationer är mer uttalade, utan också över ett brett temperatur-magnetfältområde längre utåt som anses vara normaltillståndsområdet, där supraledning är förstörd.
Noterbart, korsningslinjen mellan termiska (klassiska) och kvantfluktuationer upptäcktes framgångsrikt för första gången. Värdet på magnetfältet när övergångslinjen når absolut noll motsvarar sannolikt den kvantkritiska punkten där kvantfluktuationerna är starkast, och den punkten är tydligt belägen inom det magnetiska fältområdet där ett anomalt metalliskt tillstånd observerades i det elektriska motståndet.
Det var inte möjligt att upptäcka förekomsten av denna kvantkritiska punkt från elektriska resistivitetsmätningar förrän nu. Detta resultat avslöjar att det anomala metalliska tillståndet i ett magnetfält vid absolut noll i tvådimensionella supraledare, som har förblivit olöst i 30 år, härrör från förekomsten av den kvantkritiska punkten. Med andra ord är det anomala metalliska tillståndet ett breddat kvantkritiskt grundtillstånd för övergången mellan supraledare och isolator.
De termoelektriska effektmätningarna som erhålls för amorfa konventionella supraledare kan betraktas som standarddata för den termoelektriska effekten på supraledare, eftersom de enbart fångar effekten av fluktuationer i supraledning utan bidrag från normala elektroner.
Den termoelektriska effekten är viktig när det gäller dess tillämpning på elektriska kylsystem etc, och det finns ett behov av att utveckla material som uppvisar en stor termoelektrisk effekt vid låga temperaturer för att utöka gränsen för kyltemperaturer. Onormalt stora termoelektriska effekter har rapporterats vid låga temperaturer i vissa supraledare, och jämförelser med nuvarande data kan ge en ledtråd till deras ursprung.
Framtida forskning skulle kunna visa den teoretiska förutsägelsen att i tvådimensionella supraledare med starkare lokaliseringseffekter än det nuvarande provet, kommer de magnetiska flödeslinjerna att vara i ett kvantkondenserat tillstånd. Framöver planerar forskarna att distribuera experiment med metoderna i denna studie i syfte att upptäcka dem.
Mer information: Koichiro Ienaga et al, Breddat kvantkritiskt grundtillstånd i en oordnad supraledande tunn film, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46628-7
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , Nature Communications
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
