Pludselig død af kvantefluktuationer trodser nuværende teorier om superledning

Princeton-fysikere har opdaget en brat ændring i kvanteadfærd, mens de eksperimenterede med en tre-atom-tynd isolator, der nemt kan omdannes til en superleder.

Forskningen lover at forbedre vores forståelse af kvantefysik i faste stoffer generelt og også drive studiet af kvantekondenseret stofs fysik og superledning i potentielt nye retninger. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Physics i et papir med titlen "Ukonventionel superledende kvantekritik i monolag WTe₂ ."

Forskerne, ledet af Sanfeng Wu, assisterende professor i fysik ved Princeton University, fandt ud af, at det pludselige ophør (eller "død") af kvantemekaniske fluktuationer udviser en række unikke kvanteadfærd og egenskaber, der ser ud til at ligge uden for rammerne af etablerede teorier .

Udsving er midlertidige tilfældige ændringer i den termodynamiske tilstand af et materiale, der er på grænsen til at gennemgå en faseovergang. Et velkendt eksempel på en faseovergang er smeltningen af ​​is til vand. Princeton-eksperimentet undersøgte fluktuationer, der opstår i en superleder ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt.

"Hvad vi fandt, ved direkte at se på kvanteudsving nær overgangen, var et klart bevis på en ny kvantefaseovergang, der ikke adlyder de standardteoretiske beskrivelser, der er kendt på området," sagde Wu. "Når vi først forstår dette fænomen, tror vi, at der er en reel mulighed for, at en spændende, ny teori kan dukke op."

Kvantefaser og superledningsevne

I den fysiske verden sker faseovergange, når et materiale som en væske, gas eller fast stof ændrer sig fra en tilstand eller form til en anden. Men faseovergange forekommer også på kvanteniveau. Disse forekommer ved temperaturer, der nærmer sig det absolutte nulpunkt (-273,15° Celsius), og involverer kontinuerlig justering af en ekstern parameter, såsom tryk eller magnetfelt, uden at hæve temperaturen.

Forskere er især interesserede i, hvordan kvantefaseovergange sker i superledere, materialer, der leder elektricitet uden modstand. Superledere kan fremskynde informationsprocessen og danne grundlag for kraftige magneter, der bruges i sundhedspleje og transport.

"Hvordan en superledende fase kan ændres til en anden fase er et spændende studieområde," sagde Wu. "Og vi har været interesseret i dette problem i atomisk tynde, rene og enkeltkrystallinske materialer i et stykke tid."

Superledning opstår, når elektroner parrer sig og strømmer unisont uden modstand og uden at sprede energi. Normalt bevæger elektroner sig gennem kredsløb og ledninger på en uberegnelig måde og støder hinanden på en måde, der i sidste ende er ineffektiv og spilder energi. Men i den superledende tilstand virker elektroner sammen på en måde, der er energieffektiv.

Superledning har været kendt siden 1911, selvom hvordan og hvorfor det virkede stort set forblev et mysterium indtil 1956, hvor kvantemekanikken begyndte at kaste lys over fænomenet. Men det har først været i det sidste årti eller deromkring, at superledning er blevet undersøgt i rene, atomisk tynde todimensionelle materialer. Faktisk har man i lang tid troet, at superledning var umuligt i en todimensionel verden.

"Dette skete, fordi når du går til lavere dimensioner, bliver fluktuationer så stærke, at de 'dræber' enhver mulighed for superledning," sagde N. Phuan Ong, Eugene Higgins professor i fysik ved Princeton University og forfatter til papiret.

Den vigtigste måde, hvorpå fluktuationer ødelægger todimensionel superledning, er ved den spontane fremkomst af det, der kaldes en kvantehvirvel (flertal:hvirvler).

Hver hvirvel ligner en lille hvirvel, der består af en mikroskopisk streng af magnetfelt fanget inde i en hvirvlende elektronstrøm. Når prøven hæves over en bestemt temperatur, opstår hvirvler spontant i par:hvirvler og anti-hvirvler. Deres hurtige bevægelse ødelægger den superledende tilstand.

"En hvirvel er som en hvirvel," sagde Ong. "De er kvanteversioner af den hvirvel, der ses, når du dræner et badekar."

Fysikere ved nu, at superledning i ultratynde film eksisterer under en vis kritisk temperatur kendt som BKT-overgangen, opkaldt efter fysikerne i det kondenserede stof Vadim Berezinskii, John Kosterlitz og David Thouless. De to sidstnævnte delte Nobelprisen i fysik i 2016 med Princeton-fysikeren F. Duncan Haldane, professor ved Sherman Fairchild University i fysik.

BKT-teorien betragtes bredt som en vellykket beskrivelse af, hvordan kvantehvirvler formerer sig i todimensionelle superledere og ødelægger superledningsevnen. Teorien gælder, når den superledende overgang induceres ved at opvarme prøven.

Det aktuelle eksperiment

Spørgsmålet om, hvordan todimensionel superledning kan ødelægges uden at hæve temperaturen, er et aktivt forskningsområde inden for superledning og faseovergange. Ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt induceres en kvanteovergang af kvanteudsving. I dette scenarie er overgangen forskellig fra den temperaturdrevne BKT-overgang.

Forskerne begyndte med en bulkkrystal af wolframditellurid (WTe₂ ), som er klassificeret som et lagdelt halvmetal. Forskerne begyndte med at omdanne wolfram-ditelluridet til et todimensionelt materiale ved i stigende grad at eksfoliere, eller skrælle, materialet ned til et enkelt, atom-tyndt lag.

På dette niveau af tyndhed opfører materialet sig som en meget stærk isolator, hvilket betyder, at dets elektroner har begrænset bevægelse og derfor ikke kan lede elektricitet. Utroligt nok fandt forskerne ud af, at materialet udviser et væld af nye kvanteadfærd, såsom at skifte mellem isolerende og superledende faser. De var i stand til at kontrollere denne koblingsadfærd ved at bygge en enhed, der fungerer ligesom en "tænd og sluk"-knap.

Men dette var kun det første skridt. Forskerne udsatte derefter materialet for to vigtige forhold. Det første, de gjorde, var at køle wolfram-ditelluridet ned til usædvanligt lave temperaturer, ca. 50 milliKelvin (mK).

Halvtreds milliKelvin er -273,10° Celsius (eller -459,58° Fahrenheit), en utrolig lav temperatur, hvor kvantemekaniske effekter er dominerende.

Forskerne omdannede derefter materialet fra en isolator til en superleder ved at introducere nogle ekstra elektroner til materialet. Det krævede ikke meget spænding at opnå den superledende tilstand. "Bare en lille mængde gate-spænding kan ændre materialet fra en isolator til en superleder," sagde Tiancheng Song, en postdoc-forsker i fysik og hovedforfatter af papiret. "Dette er virkelig en bemærkelsesværdig effekt."

Forskerne fandt ud af, at de præcist kunne kontrollere superledningsevnens egenskaber ved at justere tætheden af ​​elektroner i materialet via gate-spændingen. Ved en kritisk elektrondensitet formerer kvantehvirvlerne sig hurtigt og ødelægger superledningsevnen, hvilket får kvantefaseovergangen til at ske.

For at opdage tilstedeværelsen af ​​disse kvantehvirvler skabte forskerne en lille temperaturgradient på prøven, hvilket gjorde den ene side af wolfram-ditelluridet lidt varmere end den anden. "Hvirvler søger den køligere kant," sagde Ong. "I temperaturgradienten driver alle hvirvler i prøven til den køligere del, så det, du har skabt, er en flod af hvirvler, der strømmer fra den varmere til den køligere del."

Strømmen af ​​hvirvler genererer et detekterbart spændingssignal i en superleder. Dette skyldes en effekt opkaldt efter den nobelprisvindende fysiker Brian Josephson, hvis teori forudsiger, at når en strøm af hvirvler krydser en linje trukket mellem to elektriske kontakter, genererer de en svag tværspænding, som kan detekteres af en nano-volt meter.

"Vi kan bekræfte, at det er Josephson-effekten; hvis du vender magnetfeltet, vender den detekterede spænding," sagde Ong.

"Dette er en meget specifik signatur af en hvirvelstrøm," tilføjede Wu. "Den direkte påvisning af disse bevægelige hvirvler giver os et eksperimentelt værktøj til at måle kvanteudsving i prøven, hvilket ellers er svært at opnå."

Overraskende kvantefænomener

Da forfatterne var i stand til at måle disse kvanteudsving, opdagede de en række uventede fænomener. Den første overraskelse var hvirvlernes bemærkelsesværdige robusthed. Eksperimentet viste, at disse hvirvler vedvarer til meget højere temperaturer og magnetiske felter end forventet. De overlever ved temperaturer og felter langt over den superledende fase, i materialets resistive fase.

En anden stor overraskelse er, at hvirvelsignalet brat forsvandt, da elektrontætheden blev indstillet lige under den kritiske værdi, ved hvilken kvantefaseovergangen af ​​den superledende tilstand forekommer. Ved denne kritiske værdi af elektrontæthed, som forskerne kalder det kvantekritiske punkt (QCP), der repræsenterer et punkt ved nul temperatur i et fasediagram, driver kvanteudsving faseovergangen.

"Vi forventede at se stærke udsving fortsætter under den kritiske elektrontæthed på den ikke-superledende side, ligesom de stærke udsving, der ses et godt stykke over BKT-overgangstemperaturen," sagde Wu.

"Alligevel, hvad vi fandt var, at hvirvelsignalerne 'pludselig' forsvinder i det øjeblik, hvor den kritiske elektrontæthed krydses. Og dette var et chok. Vi kan slet ikke forklare denne observation - den 'pludselige død' af fluktuationerne."

Ong tilføjede:"Med andre ord, vi har opdaget en ny type kvantekritisk punkt, men vi forstår det ikke."

Inden for det kondenserede stofs fysik er der i øjeblikket to etablerede teorier, der forklarer faseovergange af en superleder, Ginzburg-Landau teorien og BKT teorien. Forskerne fandt dog ud af, at ingen af ​​disse teorier forklarer de observerede fænomener.

"Vi har brug for en ny teori til at beskrive, hvad der foregår i denne sag," sagde Wu, "og det er noget, vi håber at tage fat på i fremtidige værker, både teoretisk og eksperimentelt."

Flere oplysninger: Tiancheng Song et al., Ukonventionel superledende kvantekriticitet i monolag WTe₂ , Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02291-1

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Princeton University