Quantum mysteries:Søger en usædvanlig tilstand i superleder-isolatorovergangen

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) nærmer sig det to årtier gamle mysterium om, hvorfor en unormal metallisk tilstand optræder i superleder-isolatorovergangen i 2-D superledere. Gennem eksperimentelle målinger af en termoelektrisk effekt, de fandt ud af, at kvantevæsketilstanden i kvantehvirvler forårsager den uregelmæssige metalliske tilstand. Resultaterne tydeliggør overgangens art og kan hjælpe med design af superledende enheder til kvantecomputere.

Den superledende tilstand, hvor strøm strømmer med nul elektrisk modstand, har fascineret fysikere siden dets opdagelse i 1911. Det er blevet grundigt undersøgt ikke kun på grund af dets potentielle anvendelser, men også for at få en bedre forståelse af kvantefænomener. Selvom forskere ved meget mere om denne særegne tilstand nu end i det 20. århundrede, der synes ikke at være nogen ende på de mysterier, som superledere rummer.

En berømt, teknologisk relevant eksempel er superleder-isolatorovergangen (SIT) i todimensionale (2-D) materialer. Hvis man afkøler tynde film af visse materialer til næsten absolut nul temperatur og anvender et eksternt magnetfelt, virkningerne af termiske udsving undertrykkes nok, så rent kvantefænomener (f.eks. superledning) dominerer makroskopisk. Selvom kvantemekanik forudsiger, at SIT er en direkte overgang fra en tilstand til den anden, flere forsøg har vist eksistensen af ​​en uregelmæssig metallisk tilstand, der griber ind mellem begge faser.

Indtil nu, oprindelsen af ​​denne mystiske mellemstat har unddraget forskere i over to årtier. Derfor er et team af forskere fra Institut for Fysik ved Tokyo Tech, Japan, for nylig satte sig for at finde et svar på spørgsmålet i en undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve . Lektor Koichiro Ienaga, der ledede undersøgelsen, forklarer deres motivation, "Der er teorier, der forsøger at forklare oprindelsen til dissipativ modstand ved nul temperatur i 2-D superledere, men der er ikke foretaget nogen endelige eksperimentelle demonstrationer ved hjælp af resistensmålinger for utvetydigt at klarlægge, hvorfor SIT adskiller sig fra de forventede kvantefaseovergangsmodeller. "

Forskerne anvendte en amorf molybdæn-germanium (MoGe) tynd film afkølet til en ekstremt lav temperatur på 0,1 K og påførte et eksternt magnetfelt. De målte en tværgående termoelektrisk effekt gennem filmen kaldet "Nernst -effekten, "som følsomt og selektivt kan undersøge superledende udsving forårsaget af mobil magnetisk flux. Resultaterne afslørede noget vigtigt om arten af ​​den anomale metalliske tilstand:" kvantevæsketilstanden "af kvantehvirvler forårsager den anomale metaltilstand. Kvantevæsketilstanden er ejendommelig tilstand, hvor partiklerne ikke er frosset selv ved nul temperatur på grund af kvantesvingningerne.

Mest vigtigt, eksperimenterne afdækkede, at den uregelmæssige metalliske tilstand stammer fra kvantekritikalitet; den særegne udvidede kvantekritiske region ved nul temperatur svarer til den uregelmæssige metalliske tilstand. Dette står i skarp kontrast til det kvantekritiske "punkt" ved nul temperatur i det almindelige SIT. Faseovergange medieret af rent kvanteudsving (kvantekritiske punkter) har været mangeårige gåder inden for fysik, og denne undersøgelse bringer os et skridt tættere på at forstå SIT for 2-D superledere. Spændt over de samlede resultater, Ienaga bemærker, "Detektering af superledende udsving med præcision i et rent kvante regime, som vi har gjort i denne undersøgelse, åbner en ny måde for næste generations superledende enheder, inklusive q-bits til kvantecomputere. "

Nu hvor denne undersøgelse har belyst det to årti gamle SIT-mysterium, yderligere forskning vil være påkrævet for at få en mere præcis forståelse af kvantevirvelernes bidrag i den uregelmæssige metalliske tilstand. Lad os håbe, at superledelsens enorme kraft snart er ved hånden!