Opdagelse af et skjult kvantekritisk punkt i todimensionelle superledere

Forskningsresultater

I denne undersøgelse, et molybdæn-germanium (Mo_x Ge_1-x ) tynde film med en amorf struktur, kendt som en todimensionel superleder med ensartet struktur og uorden, blev fremstillet og brugt. Den er 10 nanometer tyk (én nanometer er en milliardtedel af en meter) og lover at have de fluktuationseffekter, der er karakteristiske for todimensionelle systemer.

Da fluktuationssignaler ikke kan detekteres ved elektriske resistivitetsmålinger, fordi de er begravet i signalet fra normalledende elektronspredning, udførte forskerne termoelektriske effektmålinger, som kan detektere to typer fluktuationer:1) superledende fluktuationer (fluktuationer i amplituden af ​​superledning). ) og 2) magnetisk fluxlinjebevægelse (fluktuationer i superledningsfasen).

Når en temperaturforskel påføres i prøvens længderetning, genererer de superledende fluktuationer og bevægelsen af ​​de magnetiske fluxlinjer en spænding i tværretningen.

I modsætning hertil genererer normal elektronbevægelse spænding primært i længderetningen. I prøver såsom amorfe materialer, hvor elektroner ikke bevæger sig let, er den spænding, der genereres af elektroner i den tværgående retning, ubetydelig, så fluktuationsbidraget alene kan detekteres selektivt ved at måle den tværgående spænding.

Den termoelektriske effekt blev målt i en række magnetfelter og i en række temperaturer, der spænder fra meget højere end den superledende overgangstemperatur på 2,4 K (Kelvin) til en meget lav temperatur på 0,1 K (1/3000 af 300 K, rummet temperatur), som er tæt på det absolutte nulpunkt. Det afslører, at superledende fluktuationer ikke kun overlever i væskeområdet af den magnetiske flux, hvor superledende fasefluktuationer er mere udtalte, men også over et bredt temperatur-magnetisk feltområde længere udad, der anses for at være normaltilstandsområdet, hvor superledning er ødelagt.

Især blev krydsningslinjen mellem termiske (klassiske) og kvanteudsving med succes detekteret for første gang. Værdien af ​​magnetfeltet, når krydsningslinjen når det absolutte nul, svarer sandsynligvis til det kvantekritiske punkt, hvor kvanteudsvingene er stærkest, og det punkt er tydeligt placeret inden for det magnetiske feltområde, hvor der blev observeret en unormal metallisk tilstand i den elektriske modstand.

Det var ikke muligt at detektere eksistensen af ​​dette kvantekritiske punkt fra elektriske resistivitetsmålinger indtil nu. Dette resultat afslører, at den unormale metalliske tilstand i et magnetfelt ved det absolutte nulpunkt i todimensionelle superledere, som har forblevet uløst i 30 år, stammer fra eksistensen af ​​det kvantekritiske punkt. Med andre ord er den anomale metalliske tilstand en udvidet kvantekritisk grundtilstand for overgangen mellem superleder og isolator.

De termoelektriske effektmålinger opnået for amorfe konventionelle superledere kan betragtes som standarddata for den termoelektriske effekt på superledere, da de udelukkende fanger effekten af ​​fluktuationer i superledning uden bidrag fra normaltilstandselektroner.

Den termoelektriske effekt er vigtig i forhold til dens anvendelse på elektriske kølesystemer osv., og der er behov for at udvikle materialer, der udviser en stor termoelektrisk effekt ved lave temperaturer for at udvide grænsen for køletemperaturer. Unormalt store termoelektriske effekter er blevet rapporteret ved lave temperaturer i visse superledere, og sammenligning med de nuværende data kan give et fingerpeg om deres oprindelse.

Fremtidig forskning kunne demonstrere den teoretiske forudsigelse, at i todimensionelle superledere med stærkere lokaliseringseffekter end den nuværende prøve, vil de magnetiske fluxlinjer være i en kvantekondenseret tilstand. Fremover planlægger forskerne at implementere eksperimenter ved hjælp af metoderne i denne undersøgelse med det formål at opdage dem.

Flere oplysninger: Koichiro Ienaga et al., Udvidet kvantekritisk grundtilstand i en uordnet superledende tynd film, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46628-7

Journaloplysninger: Physical Review Letters , Nature Communications

Leveret af Tokyo Institute of Technology