Η κβαντική ανακάλυψη αποκαλύπτει την κρυμμένη φύση των υπεραγωγών

Το θερμικό φαινόμενο αποκαλύπτει την πλήρη εικόνα των διακυμάνσεων της υπεραγωγιμότητας.

Ασθενείς διακυμάνσεις στην υπεραγωγιμότητα,^[1] Το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας ανακαλύφθηκε με επιτυχία από μια ερευνητική ομάδα στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο (Tokyo Tech). Αυτό το κατόρθωμα επιτεύχθηκε με τη μέτρηση του θερμικού αποτελέσματος^[2] Σε υπεραγωγούς σε ένα ευρύ φάσμα μαγνητικών πεδίων και σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών από πολύ πάνω από τη θερμοκρασία μετάβασης του υπεραγώγιμου σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες κοντά Απόλυτο μηδενικό.

Αυτό αποκάλυψε την πλήρη εικόνα των διακυμάνσεων της υπεραγωγιμότητας σε σχέση με τη θερμοκρασία και το μαγνητικό πεδίο και έδειξε την προέλευση της ανώμαλης μεταλλικής κατάστασης στα μαγνητικά πεδία, που ήταν ένα άλυτο πρόβλημα στο πεδίο της 2D υπεραγωγιμότητας.^[3] Για 30 χρόνια, υπάρχει ένα κρίσιμο κβαντικό σημείο^[4] Όπου οι κβαντικές διακυμάνσεις είναι στις πιο έντονες.

Κατανόηση υπεραγωγών

Υπεραγωγός είναι ένα υλικό στο οποίο τα ηλεκτρόνια ζευγαρώνουν σε χαμηλές θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα μηδενική ηλεκτρική αντίσταση. Χρησιμοποιείται ως υλικό για ισχυρούς ηλεκτρομαγνήτες στην ιατρική μαγνητική τομογραφία και άλλες εφαρμογές. Είναι επίσης ζωτικής σημασίας ως μικρά λογικά στοιχεία σε κβαντικούς υπολογιστές που λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες και υπάρχει ανάγκη να διευκρινιστούν οι ιδιότητες των υπεραγωγών χαμηλής θερμοκρασίας όταν μικρογραφούνται.

Οι ατομικά λεπτοί 2D υπεραγωγοί επηρεάζονται έντονα από τις διακυμάνσεις και έτσι παρουσιάζουν ιδιότητες που διαφέρουν σημαντικά από αυτές των παχύτερων υπεραγωγών. Υπάρχουν δύο τύποι διακυμάνσεων: οι θερμικές (κλασικές), που είναι πιο έντονες σε υψηλές θερμοκρασίες και οι κβαντικές, οι οποίες είναι πιο σημαντικές σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, οι οποίες προκαλούν ποικίλα ενδιαφέροντα φαινόμενα.

Για παράδειγμα, όταν ένα μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται κάθετα σε έναν δισδιάστατο υπεραγωγό στο απόλυτο μηδέν και αυξάνεται, συμβαίνει μια μετάβαση από έναν υπεραγωγό με μηδενική αντίσταση σε έναν μονωτή με εντοπισμένα ηλεκτρόνια. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται μετάβαση υπεραγώγιμου μονωτή που προκαλείται από μαγνητικό πεδίο και είναι χαρακτηριστικό παράδειγμα μετάβασης κβαντικής φάσης^[4] Προκαλείται από κβαντικές διακυμάνσεις.

Εικόνα 1. (Αριστερά) Σε ένα μαγνητικό πεδίο μεσοκλίμακας, γραμμές μαγνητικής ροής διαπερνούν με τη μορφή ελαττωμάτων που συνοδεύονται από δίνες υπεραγώγιμων ρευμάτων. (Κέντρο) Εννοιολογικό διάγραμμα της κατάστασης «διακύμανσης υπεραγωγιμότητας», πρόδρομος της υπεραγωγιμότητας. Σχηματίζονται χρονικά μεταβαλλόμενες, χωρικά ανομοιόμορφες, υπεραγώγιμες περιοχές που μοιάζουν με φυσαλίδες. (Δεξιά) Σχηματικό διάγραμμα μέτρησης θερμικής επίδρασης. Η κίνηση της γραμμής μαγνητικής ροής και οι διακυμάνσεις της υπεραγωγιμότητας δημιουργούν μια τάση κάθετη στη ροή θερμότητας (βαθμίδα θερμοκρασίας). Πίστωση: Koichiro Inaga

Ωστόσο, είναι γνωστό από τη δεκαετία του 1990 ότι για δείγματα με σχετικά ασθενή αποτελέσματα εντοπισμού, εμφανίζεται μια ανώμαλη μεταλλική κατάσταση στην περιοχή του ενδιάμεσου μαγνητικού πεδίου όπου η ηλεκτρική αντίσταση είναι αρκετές τάξεις μεγέθους χαμηλότερη από την κανονική κατάσταση. Η προέλευση αυτής της ανώμαλης μεταλλικής κατάστασης πιστεύεται ότι είναι μια υγρή κατάσταση, στην οποία οι γραμμές μαγνητικής ροής (Εικόνα 1 αριστερά) που διαπερνούν τον υπεραγωγό κινούνται από κβαντικές διακυμάνσεις.

Ωστόσο, αυτή η πρόβλεψη δεν έχει αποδειχθεί επειδή τα περισσότερα προηγούμενα πειράματα σε 2D υπεραγωγούς χρησιμοποιούσαν μετρήσεις ηλεκτρικής αντίστασης που εξετάζουν την απόκριση της τάσης στο ρεύμα, καθιστώντας δύσκολη τη διάκριση μεταξύ των σημάτων τάσης που προέρχονται από την κίνηση των γραμμών μαγνητικής ροής και εκείνων που προκύπτουν από τη σκέδαση ηλεκτρονίων με κανονική αγωγιμότητα.

Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον αναπληρωτή καθηγητή Koichiro Inaga και τον καθηγητή Satoshi Okuma από το Τμήμα Φυσικής στο Tokyo Tech School of Science ανέφερε στο Επιστολές φυσικής ανασκόπησης 2020 Η κβαντική κίνηση των γραμμών μαγνητικής ροής εμφανίζεται σε μια ανώμαλη μεταλλική κατάσταση χρησιμοποιώντας το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο, όπου παράγεται ηλεκτρική τάση σε σχέση με τη ροή θερμότητας (βαθμίδα θερμοκρασίας) αντί για ένα ρεύμα.

Ωστόσο, για να διευκρινιστεί περαιτέρω η προέλευση της ανώμαλης μεταλλικής κατάστασης, είναι απαραίτητο να αποσαφηνιστεί ο μηχανισμός με τον οποίο η υπεραγώγιμη κατάσταση καταστρέφεται από την κβαντική διακύμανση και τη μετάβαση στην κανονική (μονωτική) κατάσταση. Σε αυτή τη μελέτη, πραγματοποίησαν μετρήσεις με στόχο την ανίχνευση της κατάστασης διακύμανσης της υπεραγωγιμότητας (κέντρο του σχήματος 1), μια πρόδρομη κατάσταση της υπεραγωγιμότητας που πιστεύεται ότι υπάρχει στη φυσική κατάσταση.

Σχήμα 2. Η πλήρης εικόνα των διακυμάνσεων της υπεραγωγιμότητας αποκαλύπτεται σε ένα ευρύ φάσμα μαγνητικού πεδίου και σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, από πολύ πάνω από τη θερμοκρασία μετάβασης της υπεραγώγιμης έως και 0,1 Κ. Η ύπαρξη μιας γραμμής τομής μεταξύ θερμότητας (κλασικής) και κβαντικών διακυμάνσεων αποδείχθηκε για πρώτη φορά και το κβαντικό κρίσιμο σημείο στο οποίο αυτή η γραμμή φτάνει στο απόλυτο μηδέν βρέθηκε να βρίσκεται εντός της ανώμαλης μεταλλικής περιοχής. Πίστωση: Koichiro Inaga

Ερευνητικά επιτεύγματα και τεχνικές

Σε αυτή τη μελέτη, το μολυβδαίνιο γερμάνιο (Mo_μικρόΤζι_1-μικρό) λεπτόςμικρό Με άμορφη δομή,^[5] Γνωστός ως δισδιάστατος υπεραγωγός με ομοιόμορφη και χαοτική δομή, έχει κατασκευαστεί και χρησιμοποιηθεί. Έχει πάχος 10 νανόμετρα (ένα νανόμετρο είναι ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου) και υπόσχεται να έχει φαινόμενα διακύμανσης χαρακτηριστικών συστημάτων 2D.

Επειδή τα σήματα διακύμανσης δεν μπορούν να ανιχνευθούν με μετρήσεις ηλεκτρικής αντίστασης επειδή είναι θαμμένα στο σήμα σκέδασης ηλεκτρονίων κανονικής αγωγιμότητας, πραγματοποιήσαμε μετρήσεις του θερμοηλεκτρικού φαινομένου, το οποίο μπορεί να ανιχνεύσει δύο τύπους διακυμάνσεων: (1) διακυμάνσεις υπεραγωγιμότητας (διακυμάνσεις στην χωρητικότητα υπεραγωγιμότητας) και ( 2) Κίνηση της γραμμής μαγνητικής ροής (διακυμάνσεις στην υπεραγώγιμη φάση).

Όταν εφαρμόζεται διαφορά θερμοκρασίας στη διαμήκη διεύθυνση του δείγματος, οι διακυμάνσεις της υπεραγωγιμότητας και η κίνηση των γραμμών μαγνητικής ροής δημιουργούν μια τάση στην εγκάρσια διεύθυνση. Αντίθετα, η κανονική κίνηση των ηλεκτρονίων δημιουργεί τάση κυρίως στη διαμήκη διεύθυνση. Ειδικά σε δείγματα όπως τα άμορφα υλικά, όπου τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται εύκολα, η τάση που παράγεται από τα ηλεκτρόνια στην εγκάρσια διεύθυνση είναι μικρή, επομένως η συνεισφορά της διακύμανσης μπορεί να ανιχνευθεί επιλεκτικά με τη μέτρηση της εγκάρσιας τάσης (Εικόνα 1, δεξιά).

Το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο έχει μετρηθεί σε μια ποικιλία μαγνητικών πεδίων και σε μια ποικιλία θερμοκρασιών που κυμαίνονται από πολύ πάνω από τη θερμοκρασία μετάβασης υπεραγωγιμότητας των 2,4 Kelvin (K) έως και 0,1 K (1/3000 από 300 K, ° Θερμοκρασία δωματίου) , που είναι κοντά στο απόλυτο μηδέν. Αυτό αποκαλύπτει ότι οι διακυμάνσεις της υπεραγωγιμότητας παραμένουν παρούσες όχι μόνο στην περιοχή υγρού της μαγνητικής ροής (σκούρο κόκκινο περιοχή στο Σχήμα 2), όπου οι διακυμάνσεις της υπεραγώγιμης φάσης είναι πιο εμφανείς, αλλά και σε μια ευρεία περιοχή του μαγνητικού πεδίου θερμοκρασίας πιο έξω, η οποία είναι θεωρείται η περιοχή κανονικής κατάστασης, όπου καταστρέφεται η υπεραγωγιμότητα (η περιοχή του υψηλού μαγνητικού πεδίου και της υψηλής θερμοκρασίας πάνω από την άνω κυρτή συμπαγή γραμμή στο Σχήμα 2). Συγκεκριμένα, η γραμμή τομής μεταξύ θερμικών (κλασικών) και κβαντικών διακυμάνσεων ανακαλύφθηκε με επιτυχία για πρώτη φορά (παχιά συμπαγής γραμμή στο Σχήμα 2).

Η τιμή του μαγνητικού πεδίου όταν η γραμμή τομής φθάσει στο απόλυτο μηδέν πιθανότατα αντιστοιχεί στο κβαντικό κρίσιμο σημείο όπου οι κβαντικές διακυμάνσεις είναι ισχυρότερες και αυτό το σημείο (λευκός κύκλος στο Σχήμα 2) βρίσκεται σαφώς εντός της περιοχής μαγνητικού πεδίου όπου υπάρχει μια ανώμαλη μεταλλική κατάσταση. Παρατηρήθηκε στην ηλεκτρική αντίσταση. Η ύπαρξη αυτού του κβαντικού κρίσιμου σημείου δεν έχει ανιχνευθεί από μετρήσεις ηλεκτρικής αντίστασης μέχρι τώρα.

Αυτό το αποτέλεσμα αποκαλύπτει ότι η ανώμαλη μεταλλική κατάσταση στο μαγνητικό πεδίο στο απόλυτο μηδέν σε 2D υπεραγωγούς, η οποία παραμένει άλυτη για 30 χρόνια, προκύπτει από την ύπαρξη ενός κβαντικού κρίσιμου σημείου. Με άλλα λόγια, η ανώμαλη μεταλλική κατάσταση είναι μια διευρυμένη κβαντική κρίσιμη θεμελιώδης κατάσταση για τη μετάβαση από υπεραγωγό σε μονωτή.

Διακλαδώσεις

Οι μετρήσεις του θερμοηλεκτρικού φαινομένου που λαμβάνονται για τους συμβατικούς άμορφους υπεραγωγούς μπορούν να θεωρηθούν ως τυπικά δεδομένα για το θερμοηλεκτρικό αποτέλεσμα στους υπεραγωγούς, επειδή καταγράφουν την επίδραση των διακυμάνσεων στην υπεραγωγιμότητα χωρίς τη συμβολή ηλεκτρονίων κανονικής κατάστασης. Το θερμικό αποτέλεσμα είναι σημαντικό όσον αφορά την εφαρμογή του σε ηλεκτρικά συστήματα ψύξης κ.λπ., και υπάρχει ανάγκη ανάπτυξης υλικών που παρουσιάζουν σημαντική θερμική επίδραση σε χαμηλές θερμοκρασίες για την επέκταση των μέγιστων θερμοκρασιών ψύξης. Ασυνήθιστα μεγάλα θερμοηλεκτρικά φαινόμενα σε χαμηλές θερμοκρασίες έχουν αναφερθεί σε ορισμένους υπεραγωγούς και η σύγκριση με τα υπάρχοντα δεδομένα μπορεί να δώσει μια ένδειξη για την πηγή τους.

Μελλοντικές εξελίξεις

Ακαδημαϊκό ενδιαφέρον που πρέπει να αναπτυχθεί σε αυτή τη μελέτη είναι να καταδειχθεί η θεωρητική πρόβλεψη ότι σε 2D υπεραγωγούς με ισχυρότερα φαινόμενα εντοπισμού από το παρόν δείγμα, οι γραμμές μαγνητικής ροής θα είναι σε κβαντική συμπυκνωμένη κατάσταση6. Στο μέλλον, σχεδιάζουμε να δημοσιεύσουμε πειράματα χρησιμοποιώντας τις μεθόδους αυτής της μελέτης για να μάθουμε.

Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δημοσιεύτηκαν διαδικτυακά στο Επικοινωνίες για τη φύση Στις 16 Μαρτίου 2024.

συνθήκες

1. Διακυμάνσεις στην υπεραγωγιμότητα: Η ισχύς της υπεραγωγιμότητας δεν είναι ομοιόμορφη και κυμαίνεται στο χρόνο και στο χώρο. Είναι φυσιολογικό να συμβαίνουν θερμικές διακυμάνσεις, αλλά κοντά στο απόλυτο μηδέν, οι κβαντικές διακυμάνσεις συμβαίνουν με βάση την αρχή της αβεβαιότητας της κβαντικής μηχανικής.
2. Θερμική επίδραση: Επίδραση της ανταλλαγής θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Μια τάση δημιουργείται όταν εφαρμόζεται μια διαφορά θερμοκρασίας, ενώ μια διαφορά θερμοκρασίας παράγεται όταν εφαρμόζεται μια τάση. Η πρώτη μελετάται για χρήση ως συσκευή παραγωγής ενέργειας και η δεύτερη ως συσκευή ψύξης. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκε ως τρόπος ανίχνευσης διακυμάνσεων στην υπεραγωγιμότητα.
3. 2D υπεραγωγιμότητα: Εξαιρετικά λεπτός υπεραγωγός. Όταν το πάχος γίνεται μικρότερο από την απόσταση μεταξύ των ζευγών ηλεκτρονίων που είναι υπεύθυνα για την υπεραγωγιμότητα, η επίδραση των διακυμάνσεων στην υπεραγωγιμότητα γίνεται ισχυρότερη και οι ιδιότητες των υπεραγωγών είναι εντελώς διαφορετικές από αυτές των παχύτερων υπεραγωγών.
4. Κβαντικό κρίσιμο σημείο, κβαντική μετάβαση φάσης: Η μετάβαση φάσης που συμβαίνει στο απόλυτο μηδέν όταν αλλάζει μια παράμετρος όπως το μαγνητικό πεδίο ονομάζεται κβαντική μετάβαση φάσης και διακρίνεται από τη μετάβαση φάσης που προκαλείται από μια αλλαγή θερμοκρασίας. Το κβαντικό κρίσιμο σημείο είναι το σημείο μετάβασης φάσης όπου λαμβάνει χώρα η κβαντική μετάβαση φάσηςμικρό Συμβαίνουν εκεί όπου οι κβαντικές διακυμάνσεις είναι ισχυρότερες.
5. Άμορφη δομή: Μια δομή ύλης στην οποία τα άτομα είναι διατεταγμένα με ακανόνιστο τρόπο και δεν έχουν κρυσταλλική δομή.
6. Συμπυκνωμένη κβαντική κατάσταση: Μια κατάσταση κατά την οποία ένας μεγάλος αριθμός σωματιδίων βρίσκεται στη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση και συμπεριφέρεται ως ένα μόνο μακροσκοπικό κύμα. Στην υπεραγωγιμότητα, πολλά ζεύγη ηλεκτρονίων συμπυκνώνονται. Το υγρό ήλιο συμπυκνώνεται επίσης όταν ψύχεται στους 2,17 K, με αποτέλεσμα ανώτερη ρευστότητα χωρίς κολλώδη.

Αναφορά: «Εκτεταμένη κβαντική κρίσιμη θεμελιώδης κατάσταση σε ένα διαταραγμένο υπεραγώγιμο λεπτό φιλμ» από τους Koichiro Inaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami και Satoshi Okuma, 16 Μαρτίου 2024, Επικοινωνίες για τη φύση.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7