Quantendurchbruch enthüllt verborgene Natur von Supraleitern

Forscher der Tokyo Tech haben den kritischen Quantenpunkt in Supraleitern identifiziert, ein drei Jahrzehnte altes Rätsel gelöst und das Verständnis der Schwankungen der Supraleitung verbessert. Bildnachweis: SciTechDaily.com

Der thermische Effekt offenbart das vollständige Bild der Schwankungen der Supraleitung.

Schwache Schwankungen der Supraleitung,^[1] Das Phänomen der Supraleitung wurde von einer Forschungsgruppe am Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) erfolgreich entdeckt. Dieses Kunststück wurde durch die Messung des thermischen Effekts erreicht^[2] In Supraleitern über einen weiten Bereich von Magnetfeldern und über einen weiten Temperaturbereich von weit über der supraleitenden Übergangstemperatur bis hin zu sehr niedrigen Temperaturen in der Nähe Absoluter Nullpunkt.

Dies enthüllte das vollständige Bild der Schwankungen der Supraleitung in Bezug auf Temperatur und Magnetfeld und zeigte den Ursprung des anomalen metallischen Zustands in Magnetfeldern, der ein ungelöstes Problem auf dem Gebiet der 2D-Supraleitung darstellte.^[3] Seit 30 Jahren existiert ein kritischer Quantenpunkt^[4] Wo Quantenfluktuationen am stärksten sind.

Supraleiter verstehen

Ein Supraleiter ist ein Material, in dem sich Elektronen bei niedrigen Temperaturen paaren, was zu einem elektrischen Widerstand von Null führt. Es wird als Material für leistungsstarke Elektromagnete in der medizinischen MRT und anderen Anwendungen verwendet. Sie sind auch als kleine Logikelemente in Quantencomputern, die bei niedrigen Temperaturen arbeiten, von entscheidender Bedeutung, und es besteht Bedarf, die Eigenschaften von Niedertemperatur-Supraleitern bei ihrer Miniaturisierung aufzuklären.

Atomar dünne 2D-Supraleiter unterliegen stark Schwankungen und weisen daher Eigenschaften auf, die sich deutlich von denen dickerer Supraleiter unterscheiden. Es gibt zwei Arten von Schwankungen: thermische (klassische), die bei hohen Temperaturen stärker ausgeprägt sind, und Quantenschwankungen, die bei sehr niedrigen Temperaturen stärker ausgeprägt sind, wobei letztere eine Vielzahl interessanter Phänomene verursachen.

Wenn beispielsweise ein Magnetfeld senkrecht zu einem zweidimensionalen Supraleiter beim absoluten Nullpunkt angelegt wird und ansteigt, kommt es zu einem Übergang von einem Supraleiter mit Nullwiderstand zu einem Isolator mit lokalisierten Elektronen. Dieses Phänomen wird als magnetfeldinduzierter supraleitender Isolatorübergang bezeichnet und ist ein typisches Beispiel für einen Quantenphasenübergang^[4] Verursacht durch Quantenfluktuationen.

Abbildung 1. (Links) In einem mesoskaligen Magnetfeld brechen magnetische Flusslinien in Form von Defekten durch, begleitet von Wirbeln supraleitender Ströme. (Mitte) Konzeptdiagramm des Zustands der „Supraleitungsschwankung“, einem Vorläufer der Supraleitung. Es entstehen zeitlich veränderliche, räumlich ungleichmäßige, blasenartige supraleitende Regionen. (Rechts) Schematische Darstellung der thermischen Effektmessung. Die Bewegung magnetischer Flusslinien und Schwankungen der Supraleitung erzeugen eine Spannung senkrecht zum Wärmefluss (Temperaturgradient). Bildnachweis: Koichiro Inaga

Allerdings ist seit den 1990er Jahren bekannt, dass bei Proben mit relativ schwachen Lokalisierungseffekten ein anomaler metallischer Zustand im mittleren Magnetfeldbereich auftritt, wo der elektrische Widerstand mehrere Größenordnungen niedriger ist als im Normalzustand. Es wird angenommen, dass der Ursprung dieses anomalen metallischen Zustands ein flüssigkeitsähnlicher Zustand ist, in dem magnetische Flusslinien (Abbildung 1 links), die den Supraleiter durchdringen, durch Quantenfluktuationen bewegt werden.

Diese Vorhersage wurde jedoch nicht bewiesen, da die meisten früheren Experimente mit 2D-Supraleitern elektrische Widerstandsmessungen verwendeten, die die Reaktion von Spannung auf Strom untersuchten, was es schwierig machte, zwischen Spannungssignalen, die durch die Bewegung magnetischer Flusslinien entstehen, und solchen, die durch Streuung entstehen, zu unterscheiden von Elektronen mit normaler Leitung.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Assistenzprofessor Koichiro Inaga und Professor Satoshi Okuma vom Fachbereich Physik der Fakultät für Naturwissenschaften der Tokyo Tech University berichtete in Briefe zur körperlichen Untersuchung 2020 Die Quantenbewegung magnetischer Flusslinien erfolgt in einem anomalen metallischen Zustand mithilfe des thermoelektrischen Effekts, bei dem anstelle eines Stroms eine elektrische Spannung in Bezug auf den Wärmefluss (Temperaturgradient) erzeugt wird.

Um jedoch den Ursprung des anomalen metallischen Zustands weiter zu klären, ist es notwendig, den Mechanismus aufzuklären, durch den der supraleitende Zustand durch Quantenfluktuation und Übergänge in den normalen (isolierenden) Zustand zerstört wird. In dieser Studie führten sie Messungen durch, um den Fluktuationszustand der Supraleitung (Mitte von Abbildung 1) zu ermitteln, einem Vorläuferzustand der Supraleitung, von dem angenommen wird, dass er im natürlichen Zustand existiert.

Abbildung 2. Das vollständige Bild der Schwankungen der Supraleitung zeigt sich über einen weiten Magnetfeldbereich und über einen weiten Temperaturbereich, von deutlich über der supraleitenden Übergangstemperatur bis hin zu 0,1 K. Zum ersten Mal wurde die Existenz einer Schnittlinie zwischen Wärme (klassisch) und Quantenfluktuationen nachgewiesen, und es wurde festgestellt, dass der quantenkritische Punkt, an dem diese Linie den absoluten Nullpunkt erreicht, innerhalb des anomalen metallischen Bereichs liegt. Bildnachweis: Koichiro Inaga

Forschungsleistungen und -techniken

In dieser Studie wurde Molybdän-Germanium (Mo_SMensch_1-S) dünnS Mit amorpher Struktur,^[5] Er ist als zweidimensionaler Supraleiter mit einer einheitlichen und chaotischen Struktur bekannt und wurde hergestellt und verwendet. Es ist 10 Nanometer dick (ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter) und verspricht Fluktuationseffekte, die für 2D-Systeme charakteristisch sind.

Da Fluktuationssignale durch elektrische Widerstandsmessungen nicht erkannt werden können, weil sie im normalen Leitungselektronenstreusignal verborgen sind, haben wir Messungen des thermoelektrischen Effekts durchgeführt, mit denen zwei Arten von Fluktuationen erkannt werden können: (1) Supraleitungsfluktuationen (Schwankungen der Supraleitungskapazität) und (2) Bewegung der magnetischen Flusslinie (Schwankungen in der supraleitenden Phase).

Wenn in Längsrichtung der Probe ein Temperaturunterschied angelegt wird, erzeugen die Schwankungen der Supraleitung und die Bewegung magnetischer Flusslinien eine Spannung in Querrichtung. Im Gegensatz dazu erzeugt die normale Elektronenbewegung Spannung hauptsächlich in Längsrichtung. Insbesondere in Proben wie amorphen Materialien, in denen sich Elektronen nicht leicht bewegen, ist die von den Elektronen in Querrichtung erzeugte Spannung gering, sodass allein der Fluktuationsbeitrag durch Messung der Querspannung selektiv erfasst werden kann (Abbildung 1, rechts).

Der thermoelektrische Effekt wurde in verschiedenen Magnetfeldern und bei verschiedenen Temperaturen gemessen, die von deutlich über der Supraleitungsübergangstemperatur von 2,4 Kelvin (K) bis zu nur 0,1 K (1/3000 von 300 K, ° Raumtemperatur) reichen. , was nahe am absoluten Nullpunkt liegt. Dies zeigt, dass Supraleitungsschwankungen nicht nur im flüssigen Bereich des magnetischen Flusses (dunkelroter Bereich in Abbildung 2), wo die supraleitenden Phasenschwankungen am deutlichsten sind, bestehen bleiben, sondern auch über einen weiten Bereich des Temperaturmagnetfelds weiter außen, also weiter außen Dies gilt als Normalzustandsbereich, in dem die Supraleitung zerstört wird (der Bereich mit hohem Magnetfeld und hoher Temperatur oberhalb der oberen konvexen durchgezogenen Linie in Abbildung 2). Bemerkenswert ist, dass die Schnittlinie zwischen thermischen (klassischen) und Quantenfluktuationen erstmals erfolgreich entdeckt wurde (dicke durchgezogene Linie in Abbildung 2).

Der Wert des Magnetfelds, wenn die Schnittlinie den absoluten Nullpunkt erreicht, entspricht wahrscheinlich dem quantenkritischen Punkt, an dem die Quantenfluktuationen am stärksten sind, und dieser Punkt (weißer Kreis in Abbildung 2) liegt eindeutig innerhalb des Magnetfeldbereichs, in dem ein anomaler metallischer Zustand vorliegt. Es wurde im elektrischen Widerstand beobachtet. Die Existenz dieses quantenkritischen Punktes konnte bisher nicht anhand elektrischer Widerstandsmessungen nachgewiesen werden.

Dieses Ergebnis zeigt, dass der seit 30 Jahren ungelöste anomale metallische Zustand im Magnetfeld am absoluten Nullpunkt in 2D-Supraleitern auf die Existenz eines quantenkritischen Punktes zurückzuführen ist. Mit anderen Worten: Der anomale metallische Zustand ist ein erweiterter quantenkritischer Grundzustand für den Übergang vom Supraleiter zum Isolator.

Auswirkungen

Messungen des thermoelektrischen Effekts, die für herkömmliche amorphe Supraleiter erhalten wurden, können als Standarddaten für den thermoelektrischen Effekt auf Supraleitern angesehen werden, da sie den Effekt von Schwankungen in der Supraleitung ohne den Beitrag von Elektronen im Normalzustand erfassen. Der thermische Effekt ist im Hinblick auf seine Anwendung auf elektrische Kühlsysteme usw. wichtig, und es besteht die Notwendigkeit, Materialien zu entwickeln, die bei niedrigen Temperaturen einen signifikanten thermischen Effekt zeigen, um die maximalen Kühltemperaturen zu verlängern. Bei einigen Supraleitern wurde über ungewöhnlich große thermoelektrische Effekte bei niedrigen Temperaturen berichtet, und ein Vergleich mit vorhandenen Daten könnte einen Hinweis auf ihre Ursache liefern.

Zukünftige Entwicklungen

Eines der akademischen Interessen, die in dieser Studie entwickelt werden sollen, besteht darin, die theoretische Vorhersage zu klären, dass in 2D-Supraleitern mit stärkeren Lokalisierungseffekten als in der vorliegenden Probe die magnetischen Flusslinien in einem quantenkondensierten Zustand vorliegen6. Um das herauszufinden, planen wir, in Zukunft Experimente zu veröffentlichen, die die Methoden dieser Studie nutzen.

Die Ergebnisse dieser Studie wurden online veröffentlicht in Naturkommunikation Am 16. März 2024.

Bedingungen

1. Schwankungen der Supraleitung: Die Stärke der Supraleitung ist nicht einheitlich und schwankt zeitlich und räumlich. Es ist normal, dass thermische Schwankungen auftreten, aber in der Nähe des absoluten Nullpunkts treten Quantenfluktuationen auf, die auf dem Unschärfeprinzip der Quantenmechanik basieren.
2. Thermischer Effekt: Wirkung des thermischen und elektrischen Energieaustausches. Beim Anlegen einer Temperaturdifferenz entsteht eine Spannung, beim Anlegen einer Spannung entsteht eine Temperaturdifferenz. Ersteres wird für den Einsatz als Stromerzeugungsgerät und letzteres als Kühlgerät untersucht. In dieser Studie wurde es zur Erkennung von Schwankungen der Supraleitung eingesetzt.
3. 2D-Supraleitung: Ultradünner Supraleiter. Wenn die Dicke kleiner wird als der Abstand zwischen den für die Supraleitung verantwortlichen Elektronenpaaren, wird der Einfluss von Schwankungen in der Supraleitung stärker und die Eigenschaften von Supraleitern unterscheiden sich völlig von denen dickerer Supraleiter.
4. Quantenkritischer Punkt, Quantenphasenübergang: Der Phasenübergang, der am absoluten Nullpunkt auftritt, wenn ein Parameter wie das Magnetfeld geändert wird, wird als Quantenphasenübergang bezeichnet und unterscheidet sich vom Phasenübergang, der durch eine Temperaturänderung verursacht wird. Der quantenkritische Punkt ist der Phasenübergangspunkt, an dem der Quantenphasenübergang stattfindetS Sie treten dort auf, wo die Quantenfluktuationen am stärksten sind.
5. Amorphe Struktur: Eine Struktur der Materie, in der die Atome unregelmäßig angeordnet sind und keine kristalline Struktur aufweisen.
6. Kondensierter Quantenzustand: Ein Zustand, in dem sich eine große Anzahl von Teilchen im niedrigsten Energiezustand befinden und sich wie eine einzige makroskopische Welle verhalten. Bei der Supraleitung werden viele Elektronenpaare kondensiert. Flüssiges Helium kondensiert auch, wenn es auf 2,17 K abgekühlt wird, was zu einer hervorragenden Fließfähigkeit ohne Klebrigkeit führt.

Referenz: „Erweiterter quantenkritischer Grundzustand in einem ungeordneten supraleitenden Dünnfilm“ von Koichiro Inaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami und Satoshi Okuma, 16. März 2024, Naturkommunikation.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7