Princeton-fysiker har upptäckt en plötslig förändring i kvantbeteendet när de experimenterade med en treatoms tunn isolator som enkelt kan omvandlas till en supraledare.
Forskningen lovar att förbättra vår förståelse av kvantfysik i fasta ämnen i allmänhet och även driva studiet av kvantkondenserad materiens fysik och supraledning i potentiellt nya riktningar. Resultaten publicerades i tidskriften Nature Physics i en artikel med titeln "Okonventionell superledande kvantkritik i monolager WTe2 ."
Forskarna, ledda av Sanfeng Wu, biträdande professor i fysik vid Princeton University, fann att det plötsliga upphörandet (eller "döden") av kvantmekaniska fluktuationer uppvisar en serie unika kvantbeteenden och egenskaper som verkar ligga utanför räckvidden för etablerade teorier .
Fluktuationer är tillfälliga slumpmässiga förändringar i det termodynamiska tillståndet för ett material som är på väg att genomgå en fasövergång. Ett välbekant exempel på en fasövergång är smältningen av is till vatten. Princeton-experimentet undersökte fluktuationer som uppstår i en supraledare vid temperaturer nära absolut noll.
"Vad vi fann, genom att direkt titta på kvantfluktuationer nära övergången, var tydliga bevis på en ny kvantfasövergång som inte lyder de standardteoretiska beskrivningar som är kända inom området," sa Wu. "När vi väl förstår detta fenomen tror vi att det finns en verklig möjlighet för en spännande, ny teori att dyka upp."
I den fysiska världen inträffar fasövergångar när ett material som en vätska, gas eller fast ämne ändras från ett tillstånd eller form till ett annat. Men fasövergångar sker också på kvantnivå. Dessa inträffar vid temperaturer som närmar sig absolut noll (-273,15° Celsius) och involverar kontinuerlig inställning av någon extern parameter, såsom tryck eller magnetfält, utan att temperaturen höjs.
Forskare är särskilt intresserade av hur kvantfasövergångar sker i supraledare, material som leder elektricitet utan motstånd. Supraledare kan påskynda informationsprocessen och utgöra grunden för kraftfulla magneter som används inom hälsovård och transporter.
"Hur en supraledande fas kan ändras till en annan fas är ett spännande studieområde," sa Wu. "Och vi har varit intresserade av detta problem i atomärt tunna, rena och enkristallina material ett tag."
Supraledning uppstår när elektroner parar ihop sig och flödar unisont utan motstånd och utan att avleda energi. Normalt färdas elektroner genom kretsar och ledningar på ett oberäkneligt sätt och stöter på varandra på ett sätt som i slutändan är ineffektivt och slösar bort energi. Men i supraledande tillstånd agerar elektroner i samverkan på ett sätt som är energieffektivt.
Superledning har varit känt sedan 1911, även om hur och varför det fungerade till stor del förblev ett mysterium fram till 1956, då kvantmekaniken började kasta ljus över fenomenet. Men det har bara varit under det senaste decenniet eller så som supraledning har studerats i rena, atomärt tunna tvådimensionella material. Under lång tid trodde man faktiskt att supraledning var omöjlig i en tvådimensionell värld.
"Detta uppstod eftersom, när du går till lägre dimensioner, fluktuationer blir så starka att de "dödar" alla möjligheter till supraledning", säger N. Phuan Ong, Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton University och författare till tidningen.
Det huvudsakliga sättet på vilket fluktuationer förstör tvådimensionell supraledning är genom den spontana uppkomsten av vad som kallas en kvantvirvel (plural:virvlar).
Varje virvel liknar en liten virvel som består av en mikroskopisk sträng av magnetfält instängd i en virvlande elektronström. När provet höjs över en viss temperatur uppstår virvlar spontant i par:virvlar och antivirvlar. Deras snabba rörelse förstör det supraledande tillståndet.
"En virvel är som en virvel", sa Ong. "De är kvantversioner av virveln som ses när du tömmer ett badkar."
Fysiker vet nu att supraledning i ultratunna filmer existerar under en viss kritisk temperatur känd som BKT-övergången, uppkallad efter fysikerna Vadim Berezinskii, John Kosterlitz och David Thouless. De två sistnämnda delade Nobelpriset i fysik 2016 med Princeton-fysikern F. Duncan Haldane, professor i fysik vid Sherman Fairchild University.
BKT-teorin anses allmänt som en framgångsrik beskrivning av hur kvantvirvlar förökar sig i tvådimensionella supraledare och förstör supraledningsförmågan. Teorin gäller när den supraledande övergången induceras genom att värma upp provet.
Frågan om hur tvådimensionell supraledning kan förstöras utan att temperaturen höjs är ett aktivt forskningsområde inom områdena supraledning och fasövergångar. Vid temperaturer nära absolut noll induceras en kvantövergång av kvantfluktuationer. I detta scenario är övergången skild från den temperaturdrivna BKT-övergången.
Forskarna började med en bulkkristall av volframditellurid (WTe2 ), som klassificeras som en skiktad halvmetall. Forskarna började med att omvandla volframditelluriden till ett tvådimensionellt material genom att alltmer exfoliera, eller skala, materialet ner till ett enda, atomtunt lager.
På denna nivå av tunnhet beter sig materialet som en mycket stark isolator, vilket innebär att dess elektroner har begränsad rörelse och därför inte kan leda elektricitet. Otroligt nog fann forskarna att materialet uppvisar en mängd nya kvantbeteenden, som att växla mellan isolerande och supraledande faser. De kunde kontrollera detta växlingsbeteende genom att bygga en enhet som fungerar precis som en "på och av"-brytare.
Men detta var bara det första steget. Forskarna utsatte sedan materialet för två viktiga förhållanden. Det första de gjorde var att kyla ner volframditelluriden till exceptionellt låga temperaturer, ungefär 50 milliKelvin (mK).
Femtio millikelvin är -273,10° Celsius (eller -459,58° Fahrenheit), en otroligt låg temperatur där kvantmekaniska effekter är dominerande.
Forskarna omvandlade sedan materialet från en isolator till en supraledare genom att introducera några extra elektroner i materialet. Det krävdes inte mycket spänning för att uppnå det supraledande tillståndet. "Bara en liten mängd grindspänning kan förändra materialet från en isolator till en supraledare", säger Tiancheng Song, en postdoktor i fysik och huvudförfattare till artikeln. "Detta är verkligen en anmärkningsvärd effekt."
Forskarna fann att de exakt kunde kontrollera supraledningsegenskaperna genom att justera tätheten av elektroner i materialet via gate-spänningen. Vid en kritisk elektrondensitet sprider sig kvantvirvlarna snabbt och förstör supraledningsförmågan, vilket gör att kvantfasövergången inträffar.
För att upptäcka närvaron av dessa kvantvirvlar skapade forskarna en liten temperaturgradient på provet, vilket gjorde en sida av volframditelluriden något varmare än den andra. "Vortices söker den svalare kanten," sa Ong. "I temperaturgradienten driver alla virvlar i provet till den kallare delen, så det du har skapat är en flod av virvlar som rinner från den varmare till den kallare delen."
Flödet av virvlar genererar en detekterbar spänningssignal i en supraledare. Detta beror på en effekt uppkallad efter Nobelprisvinnande fysikern Brian Josephson, vars teori förutspår att när en ström av virvlar korsar en linje som dras mellan två elektriska kontakter, genererar de en svag tvärspänning, som kan detekteras av en nanovolt meter.
"Vi kan verifiera att det är Josephson-effekten; om du vänder på magnetfältet, vänder den detekterade spänningen," sa Ong.
"Detta är en mycket specifik signatur av en virvelström," tillade Wu. "Den direkta upptäckten av dessa rörliga virvlar ger oss ett experimentellt verktyg för att mäta kvantfluktuationer i provet, vilket annars är svårt att uppnå."
När författarna väl kunde mäta dessa kvantfluktuationer upptäckte de en rad oväntade fenomen. Den första överraskningen var virvlarnas anmärkningsvärda robusthet. Experimentet visade att dessa virvlar kvarstår till mycket högre temperaturer och magnetiska fält än förväntat. De överlever vid temperaturer och fält långt över den supraledande fasen, i materialets resistiva fas.
En andra stor överraskning är att virvelsignalen plötsligt försvann när elektrontätheten justerades precis under det kritiska värdet vid vilket kvantfasövergången i det supraledande tillståndet inträffar. Vid detta kritiska värde för elektrondensitet, som forskarna kallar den kvantkritiska punkten (QCP) som representerar en punkt vid noll temperatur i ett fasdiagram, driver kvantfluktuationer fasövergången.
"Vi förväntade oss att se starka fluktuationer kvarstå under den kritiska elektrontätheten på den icke-supraledande sidan, precis som de starka fluktuationerna som ses långt över BKT-övergångstemperaturen", sa Wu.
"Ändå, vad vi fann var att virvelsignalerna "plötsligt" försvinner i samma ögonblick som den kritiska elektrontätheten passeras. Och detta var en chock. Vi kan inte alls förklara denna observation - fluktuationernas "plötsliga död".
Ong tillade, "Med andra ord, vi har upptäckt en ny typ av kvantkritisk punkt, men vi förstår den inte."
Inom området för den kondenserade materiens fysik finns det för närvarande två etablerade teorier som förklarar fasövergångar för en supraledare, Ginzburg-Landau-teorin och BKT-teorin. Forskarna fann dock att ingen av dessa teorier förklarar de observerade fenomenen.
"Vi behöver en ny teori för att beskriva vad som händer i det här fallet," sa Wu, "och det är något vi hoppas kunna ta itu med i framtida arbeten, både teoretiskt och experimentellt."
Mer information: Tiancheng Song et al, Okonventionell supraledande kvantkriticitet i monolager WTe2 , Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02291-1
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Princeton University
