En ejendommelig grundtilstandsfase for 2-D superledere

Anvendelsen af ​​store nok magnetiske felter resulterer i afbrydelse af superledende tilstande i materialer, selv ved drastisk lav temperatur, og derved ændre dem direkte til isolatorer - eller det var traditionelt troet. Nu, forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), University of Tokyo og Tohoku University rapporterer nysgerrige multi-state overgange af disse superledere, hvor de skifter fra superleder til specialmetal og derefter til isolator.

Karakteriseret ved deres nul elektriske modstand, eller alternativt deres evne til fuldstændig at udvise eksterne magnetiske felter, superledere har fascinerende udsigter til både grundlæggende fysik og anvendelser til f.eks. superledende spoler til magneter. Dette fænomen forstås ved at betragte et højt ordnet forhold mellem systemets elektroner. På grund af en sammenhæng over hele systemet, elektroner danner afgrænsede par og flyder uden kollisioner som et kollektiv, resulterer i en perfekt ledende tilstand uden energitab. Imidlertid, ved indføring af et magnetfelt, elektronerne er ikke længere i stand til at opretholde deres sammenhængende forhold, og superledningsevnen går tabt. For en given temperatur, det højeste magnetfelt, under hvilket et materiale forbliver superledende, er kendt som det kritiske felt.

Ofte er disse kritiske punkter præget af faseovergange. Hvis ændringen er brat som i tilfælde af smeltning af is, det er en førsteordens overgang. Hvis overgangen sker på en gradvis og kontinuerlig måde ved vækst af forandringsdrivende udsving, der strækker sig over hele systemet, det kaldes en andenordens overgang. At studere superlederes overgangsvej, når de udsættes for det kritiske felt, kan give indsigt i de involverede kvanteprocesser og giver os mulighed for at designe smartere superledere (SC'er) til anvendelse på avancerede teknologier.

Interessant nok, todimensionelle superledere (2-D SC'er) er de perfekte kandidater til at studere denne type faseovergange, og en sådan ny kandidat er et monoenhedslag af NbSe ₂ . Fordi mindre dimension (tykkelse) af superleder indebærer et mindre antal mulige partnere for elektroner til at danne superledende par, den mindste forstyrrelse kan sætte en faseovergang. Desuden, 2-D SC er relevant fra perspektivet af applikationer i småskala elektronik.

I sådanne materialer, at hæve det påførte magnetfelt forbi en kritisk værdi fører til en uklar tilstand, hvor magnetfeltet trænger ind i materialet, men modstanden er stadig minimal. Det er først ved at øge magnetfeltet yderligere, at superledningsevnen ødelægges, og materialet gøres til en almindelig isolator. Dette kaldes superleder-til-isolator faseovergangen. Fordi dette fænomen observeres ved meget lave temperaturer, kvanteudsvingene i systemet bliver sammenlignelige med, eller endda større end, de klassiske termiske udsving. Derfor, dette kaldes en kvantefaseovergang.

At forstå vejen for faseovergang såvel som den uklare eller blandede tilstand, der eksisterer mellem de kritiske feltstyrker i NbSe ₂ ultratynd superleder, en gruppe forskere målte materialets magnetoresistens (se fig. 1), eller responsen af ​​en SC's resistivitet, når den udsættes for et eksternt magnetfelt. Professor Ichinokura leder siger, "Ved at bruge en firepunktssonde, vi estimerede det kritiske magnetfelt ved de respektive kvantefasegrænser i det monolagede NbSe ₂ ." (se fig. 2)

De fandt ud af, at når et lille magnetfelt påføres SC, den sammenhængende strøm af elektroner er brudt, men elektronparrene er stadig tilbage. Dette skyldes bevægelse af hvirvler; de bevægelige hvirvler skaber en endelig modstand. Oprindelsen af ​​denne minimale modstand blev fortolket som materialet, der går ind i en speciel Bose metal (BM) tilstand, som ændrede sig til en isolerende tilstand ved yderligere at øge magnetfeltet. Holdet fandt også ud af, at overgangen mellem normale og SC-tilstande omkring den kritiske temperatur var drevet af kvanteudsving, også afspejler en lignende multi-transition pathway. Professor Ichinokura siger, "Skaleringsanalysen baseret på modellen af ​​Bose-metallet forklarede to-trins overgangen, antyder eksistensen af ​​en bosonisk grundtilstand."

Denne undersøgelse styrker de teoretiske påstande om flerfaseovergange i superledere takket være den tyndeste prøve af atomskalatykkelse, og flytter grænsen for forskning yderligere.