La svolta quantistica rivela la natura nascosta dei superconduttori

L'effetto termico rivela il quadro completo delle fluttuazioni della superconduttività.

Debole fluttuazioni nella superconduttività,^[1] Il fenomeno della superconduttività è stato scoperto con successo da un gruppo di ricerca del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech). Questa impresa è stata ottenuta misurando l'effetto termico^[2] Nei superconduttori su un'ampia gamma di campi magnetici e su un'ampia gamma di temperature da ben al di sopra della temperatura di transizione superconduttiva a temperature molto basse vicine Zero Assoluto.

Ciò ha rivelato il quadro completo delle fluttuazioni della superconduttività rispetto alla temperatura e al campo magnetico e ha dimostrato l'origine dello stato metallico anomalo nei campi magnetici, che era stato un problema irrisolto nel campo della superconduttività 2D.^[3] Da 30 anni esiste un punto quantico critico^[4] Dove le fluttuazioni quantistiche sono più forti.

Comprendere i superconduttori

Un superconduttore è un materiale in cui gli elettroni si accoppiano a basse temperature, determinando una resistenza elettrica pari a zero. Viene utilizzato come materiale per potenti elettromagneti nella risonanza magnetica medica e in altre applicazioni. Sono cruciali anche come piccoli elementi logici nei computer quantistici che funzionano a basse temperature, ed è necessario chiarire le proprietà dei superconduttori a bassa temperatura quando vengono miniaturizzati.

I superconduttori 2D atomicamente sottili sono fortemente influenzati dalle fluttuazioni e quindi mostrano proprietà che differiscono significativamente da quelle dei superconduttori più spessi. Esistono due tipi di fluttuazioni: termica (classica), che è più pronunciata alle alte temperature, e quantistica, che è più significativa a temperature molto basse, quest'ultima causando una serie di fenomeni interessanti.

Ad esempio, quando un campo magnetico viene applicato perpendicolarmente a un superconduttore bidimensionale a zero assoluto e crescente, si verifica una transizione da un superconduttore con resistenza nulla a un isolante con elettroni localizzati. Questo fenomeno è chiamato transizione dell'isolante superconduttore indotto dal campo magnetico ed è un tipico esempio di transizione di fase quantistica^[4] Causato da fluttuazioni quantistiche.

Figura 1. (Sinistra) In un campo magnetico su mesoscala, le linee di flusso magnetico attraversano sotto forma di difetti accompagnati da vortici di correnti superconduttrici. (Al centro) Diagramma concettuale dello stato di “fluttuazione della superconduttività”, un precursore della superconduttività. Si formano regioni superconduttrici simili a bolle, variabili nel tempo e spazialmente non uniformi. (A destra) Diagramma schematico della misurazione dell'effetto termico. Il movimento delle linee del flusso magnetico e le fluttuazioni della superconduttività generano una tensione perpendicolare al flusso di calore (gradiente di temperatura). Credito: Koichiro Inaga

Tuttavia, è noto fin dagli anni ’90 che per campioni con effetti di localizzazione relativamente deboli, uno stato metallico anomalo appare nella regione intermedia del campo magnetico dove la resistenza elettrica è diversi ordini di grandezza inferiore allo stato normale. Si ritiene che l'origine di questo stato metallico anomalo sia uno stato simile a un liquido, in cui le linee di flusso magnetico (Figura 1 a sinistra) che penetrano nel superconduttore sono mosse da fluttuazioni quantistiche.

Tuttavia, questa previsione non è stata dimostrata perché la maggior parte degli esperimenti precedenti sui superconduttori 2D utilizzavano misurazioni della resistenza elettrica che esaminavano la risposta della tensione alla corrente, rendendo difficile distinguere tra i segnali di tensione derivanti dal movimento delle linee di flusso magnetico e quelli derivanti dallo scattering. di elettroni con conduzione normale.

Un gruppo di ricerca guidato dal professore assistente Koichiro Inaga e dal professor Satoshi Okuma del Dipartimento di Fisica, Facoltà di Scienze, Tokyo Tech University ha riferito in Lettere di revisione fisica 2020 Il movimento quantistico delle linee di flusso magnetico avviene in uno stato metallico anomalo utilizzando l'effetto termoelettrico, dove viene generata una tensione elettrica rispetto al flusso di calore (gradiente di temperatura) anziché una corrente.

Tuttavia, per chiarire ulteriormente l’origine dello stato metallico anomalo, è necessario chiarire il meccanismo mediante il quale lo stato superconduttore viene distrutto dalla fluttuazione quantistica e dalle transizioni allo stato normale (isolante). In questo studio, hanno eseguito misurazioni volte a rilevare lo stato di fluttuazione della superconduttività (al centro della Figura 1), uno stato precursore della superconduttività che si ritiene esista allo stato naturale.

Figura 2. Il quadro completo delle fluttuazioni della superconduttività viene rivelato su un ampio intervallo di campi magnetici e su un'ampia gamma di temperature, da ben al di sopra della temperatura di transizione superconduttiva fino a 0,1 K. È stata dimostrata per la prima volta l'esistenza di una linea di intersezione tra il calore (classico) e le fluttuazioni quantistiche, e si è scoperto che il punto critico quantistico in cui questa linea raggiunge lo zero assoluto si trova all'interno della regione metallica anomala. Credito: Koichiro Inaga

Risultati e tecniche della ricerca

In questo studio, il germanio molibdeno (Mo_SCavolo_1-S) magroS Con struttura amorfa,^[5] Conosciuto come un superconduttore bidimensionale con una struttura uniforme e caotica, è stato prodotto e utilizzato. Ha uno spessore di 10 nanometri (un nanometro è un miliardesimo di metro) e promette di avere effetti di fluttuazione caratteristici dei sistemi 2D.

Poiché i segnali di fluttuazione non possono essere rilevati dalle misurazioni della resistenza elettrica perché sono sepolti nel segnale di diffusione degli elettroni di conduzione normale, abbiamo eseguito misurazioni dell'effetto termoelettrico, che può rilevare due tipi di fluttuazioni: (1) fluttuazioni di superconduttività (fluttuazioni nella capacità di superconduttività) e (2) Movimento della linea di flusso magnetico (fluttuazioni nella fase superconduttiva).

Quando viene applicata una differenza di temperatura nella direzione longitudinale del campione, le fluttuazioni della superconduttività e il movimento delle linee di flusso magnetico generano una tensione nella direzione trasversale. Al contrario, il normale movimento degli elettroni genera tensione principalmente nella direzione longitudinale. Soprattutto in campioni come materiali amorfi, dove gli elettroni non si muovono facilmente, la tensione generata dagli elettroni nella direzione trasversale è piccola, quindi il solo contributo di fluttuazione può essere rilevato selettivamente misurando la tensione trasversale (Figura 1, a destra).

L'effetto termoelettrico è stato misurato in una varietà di campi magnetici e a una varietà di temperature che vanno da ben al di sopra della temperatura di transizione della superconduttività di 2,4 Kelvin (K) fino a 0,1 K (1/3000 di 300 K, ° Temperatura ambiente) , che è prossimo allo zero assoluto. Ciò rivela che le fluttuazioni della superconduttività rimangono presenti non solo nella regione liquida del flusso magnetico (regione rosso scuro nella Figura 2), dove le fluttuazioni della fase superconduttiva sono più evidenti, ma anche su un'ampia regione del campo magnetico termico più esterna, che è considerata la regione di stato normale, dove la superconduttività viene distrutta (la regione di elevato campo magnetico e alta temperatura sopra la linea continua convessa superiore nella Figura 2). In particolare, la linea di intersezione tra fluttuazioni termiche (classiche) e quantistiche è stata scoperta con successo per la prima volta (linea continua spessa nella Figura 2).

Il valore del campo magnetico quando la linea di intersezione raggiunge lo zero assoluto probabilmente corrisponde al punto critico quantistico dove le fluttuazioni quantistiche sono più forti, e quel punto (cerchio bianco nella Figura 2) si trova chiaramente all'interno dell'intervallo del campo magnetico dove esiste uno stato metallico anomalo. È stato osservato nella resistenza elettrica. Finora l’esistenza di questo punto critico quantistico non era stata rilevata dalle misurazioni della resistenza elettrica.

Questo risultato rivela che lo stato metallico anomalo nel campo magnetico allo zero assoluto nei superconduttori 2D, rimasto irrisolto per 30 anni, deriva dall’esistenza di un punto critico quantistico. In altre parole, lo stato metallico anomalo è uno stato fondamentale quantistico espanso critico per la transizione da superconduttore a isolante.

Ramificazioni

Le misurazioni dell'effetto termoelettrico ottenute per i superconduttori amorfi convenzionali possono essere considerate come dati standard per l'effetto termoelettrico sui superconduttori, perché catturano l'effetto delle fluttuazioni della superconduttività senza il contributo degli elettroni nello stato normale. L'effetto termico è importante in termini di applicazione ai sistemi di refrigerazione elettrici, ecc., ed è necessario sviluppare materiali che presentino un effetto termico significativo a basse temperature per estendere le temperature massime di raffreddamento. In alcuni superconduttori sono stati segnalati effetti termoelettrici insolitamente grandi a basse temperature e il confronto con i dati esistenti può fornire un indizio sulla loro fonte.

Sviluppi futuri

Uno degli interessi accademici da sviluppare in questo studio è chiarire la previsione teorica secondo cui nei superconduttori 2D con effetti di localizzazione più forti rispetto al presente campione, le linee di flusso magnetico saranno in uno stato di condensazione quantistica6. Andando avanti, prevediamo di pubblicare esperimenti utilizzando i metodi di questo studio per scoprirlo.

I risultati di questo studio sono stati pubblicati online in Comunicazioni sulla natura Il 16 marzo 2024.

condizioni

1. Fluttuazioni nella superconduttività: La forza della superconduttività non è uniforme e fluttua nel tempo e nello spazio. È normale che si verifichino fluttuazioni termiche, ma vicino allo zero assoluto si verificano fluttuazioni quantistiche basate sul principio di indeterminazione della meccanica quantistica.
2. Effetto termico: Effetto dello scambio di energia termica ed elettrica. Quando viene applicata una differenza di temperatura viene generata una tensione, mentre quando viene applicata una tensione viene prodotta una differenza di temperatura. Il primo è in fase di studio per essere utilizzato come dispositivo di generazione di energia e il secondo come dispositivo di raffreddamento. In questo studio, è stato utilizzato come metodo per rilevare le fluttuazioni della superconduttività.
3. Superconduttività 2D: Superconduttore ultrasottile. Quando lo spessore diventa inferiore alla distanza tra le coppie di elettroni responsabili della superconduttività, l'effetto delle fluttuazioni della superconduttività diventa più forte e le proprietà dei superconduttori sono completamente diverse da quelle dei superconduttori più spessi.
4. Punto critico quantistico, transizione di fase quantistica: La transizione di fase che avviene allo zero assoluto quando viene modificato un parametro come il campo magnetico è chiamata transizione di fase quantistica e si distingue dalla transizione di fase causata da un cambiamento di temperatura. Il punto critico quantistico è il punto di transizione di fase in cui avviene la transizione di fase quantisticaS Si verificano dove le fluttuazioni quantistiche sono più forti.
5. Struttura amorfa: Una struttura della materia in cui gli atomi sono disposti in modo irregolare e non hanno una struttura cristallina.
6. Stato quantistico condensato: Condizione in cui un gran numero di particelle si trovano nello stato energetico più basso e si comportano come un'unica onda macroscopica. Nella superconduttività molte coppie di elettroni sono condensate. Anche l'elio liquido si condensa quando viene raffreddato a 2,17 K, garantendo una fluidità superiore senza appiccicosità.

Riferimento: “Extended quantum critical ground state in a disordinated superconducting thin film” di Koichiro Inaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami e Satoshi Okuma, 16 marzo 2024, Comunicazioni sulla natura.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7