Šiluminis efektas atskleidžia visą superlaidumo svyravimų vaizdą.

Silpni superlaidumo svyravimai,^[1] Superlaidumo fenomeną sėkmingai atrado Tokijo technologijos instituto (Tokyo Tech) tyrimų grupė. Šis žygdarbis buvo pasiektas matuojant šiluminį efektą^[2] Superlaidininkuose plačiame magnetinių laukų diapazone ir įvairiuose temperatūrų diapazonuose nuo gerokai aukštesnės už superlaidumo pereinamąją temperatūrą iki labai žemos temperatūros netoli Absoliutus nulis.

Tai atskleidė visą vaizdą apie superlaidumo svyravimus temperatūros ir magnetinio lauko atžvilgiu ir parodė anomalinės metalinės būsenos kilmę magnetiniuose laukuose, o tai buvo neišspręsta problema 2D superlaidumo srityje.^[3] 30 metų egzistuoja kritinis kvantinis taškas^[4] Kur kvantiniai svyravimai yra stipriausi.

Supratimas apie superlaidininkus

Superlaidininkas yra medžiaga, kurioje elektronai susiporuoja esant žemai temperatūrai, todėl elektrinė varža nulinė. Jis naudojamas kaip galingų elektromagnetų medžiaga medicinos MRT ir kitose srityse. Jie taip pat yra labai svarbūs kaip maži loginiai elementai kvantiniuose kompiuteriuose, kurie veikia žemoje temperatūroje, todėl reikia išsiaiškinti žemos temperatūros superlaidininkų savybes, kai jie yra miniatiūriniai.

Atomiškai plonus 2D superlaidininkus stipriai veikia svyravimai, todėl jų savybės labai skiriasi nuo storesnių superlaidininkų. Yra dviejų tipų svyravimai: terminis (klasikinis), kuris ryškesnis esant aukštai temperatūrai, ir kvantinis, kuris reikšmingesnis esant labai žemai temperatūrai, pastarasis sukelia įvairius įdomius reiškinius.

Pavyzdžiui, kai magnetinis laukas taikomas statmenai dvimačiam superlaidininkui esant absoliučiam nuliui ir didėjant, įvyksta perėjimas nuo superlaidininko, kurio varža nulinė, prie izoliatoriaus su lokalizuotais elektronais. Šis reiškinys vadinamas magnetinio lauko sukeltu superlaidžio izoliatoriaus perėjimu ir yra tipiškas kvantinės fazės perėjimo pavyzdys^[4] Sukeltas kvantinių svyravimų.

1 pav. (Kairėje) Mezoskalėje magnetiniame lauke išsiveržia magnetinio srauto linijos defektų pavidalu, kartu su superlaidžių srovių sūkuriais. (Centras) Koncepcinė „superlaidumo svyravimų“ būsenos diagrama, kuri yra superlaidumo pirmtakas. Susidaro laike besikeičiančios, erdvėje nevienodos, burbuliukus primenančios superlaidžios sritys. (Dešinėje) Šiluminio efekto matavimo schema. Magnetinio srauto linijos judėjimas ir superlaidumo svyravimai sukuria įtampą, statmeną šilumos srautui (temperatūros gradientas). Kreditas: Koichiro Inaga

Tačiau nuo 1990-ųjų buvo žinoma, kad mėginiams, kurių lokalizacijos poveikis yra gana silpnas, tarpinio magnetinio lauko srityje atsiranda anomali metalinė būsena, kur elektrinė varža yra keliomis eilėmis mažesnė už normalią būseną. Manoma, kad šios anomalios metalinės būsenos kilmė yra į skystį panaši būsena, kai į superlaidininką prasiskverbiančios magnetinio srauto linijos (1 pav. kairėje) yra perkeliamos kvantiniais svyravimais.

Tačiau ši prognozė nebuvo įrodyta, nes daugumoje ankstesnių eksperimentų su 2D superlaidininkais buvo naudojami elektrinės varžos matavimai, tiriantys įtampos reakciją į srovę, todėl sunku atskirti įtampos signalus, atsirandančius judant magnetinio srauto linijoms, ir tuos, kurie atsiranda dėl sklaidos. normalaus laidumo elektronų.

Tokijo technikos universiteto Fizikos fakulteto Fizikos katedros vadovaujama tyrimų grupė, vadovaujama asistento Koichiro Inaga ir profesoriaus Satoshi Okuma. Fizinės apžvalgos laiškai 2020 m. Kvantinis magnetinio srauto linijų judėjimas vyksta anomalioje metalinėje būsenoje, naudojant termoelektrinį efektą, kai elektros įtampa generuojama atsižvelgiant į šilumos srautą (temperatūros gradientą), o ne srovę.

Tačiau norint dar labiau išsiaiškinti anomalios metalo būsenos kilmę, būtina išsiaiškinti mechanizmą, kuriuo superlaidžioji būsena sunaikinama dėl kvantinių svyravimų ir pereina į normalią (izoliacinę) būseną. Šiame tyrime jie atliko matavimus, kurių tikslas buvo aptikti superlaidumo svyravimo būseną (1 paveikslo centre) – superlaidumo pirmtaką, kuris, kaip manoma, egzistuoja natūralioje būsenoje.

2 pav. Visas superlaidumo svyravimų vaizdas atskleidžiamas plačiame magnetinio lauko diapazone ir įvairiuose temperatūrų diapazonuose, nuo gerokai aukštesnės už superlaidumo pereinamąją temperatūrą iki 0,1 K. Pirmą kartą buvo įrodyta, kad yra susikirtimo linija tarp šilumos (klasikinių) ir kvantinių svyravimų, ir nustatyta, kad kvantinis kritinis taškas, kuriame ši linija pasiekia absoliutų nulį, yra anomalioje metalinėje srityje. Kreditas: Koichiro Inaga

Tyrimo pasiekimai ir metodai

Šiame tyrime molibdeno germanis (Mo_sGee_1-s) plonass Su amorfine struktūra,^[5] Žinomas kaip dvimatis superlaidininkas, turintis vienodą ir chaotišką struktūrą, jis buvo pagamintas ir naudojamas. Jis yra 10 nanometrų storio (vienas nanometras yra milijardoji metro dalis) ir žada turėti 2D sistemoms būdingą svyravimo efektą.

Kadangi svyravimų signalų negalima aptikti atliekant elektrinės varžos matavimus, nes jie yra palaidoti normalaus laidumo elektronų sklaidos signale, atlikome termoelektrinio efekto matavimus, kurie gali aptikti dviejų tipų svyravimus: (1) superlaidumo svyravimus (superlaidumo talpos svyravimus) ir (2) Magnetinio srauto linijos judėjimas (superlaidumo fazės svyravimai).

Kai temperatūrų skirtumas taikomas išilgine bandinio kryptimi, superlaidumo svyravimai ir magnetinio srauto linijų judėjimas sukuria įtampą skersine kryptimi. Priešingai, normalus elektronų judėjimas generuoja įtampą daugiausia išilgine kryptimi. Ypač tokiuose mėginiuose, kaip amorfinės medžiagos, kur elektronai nejuda lengvai, elektronų skersine kryptimi generuojama įtampa yra maža, todėl vien svyravimo indėlis gali būti selektyviai aptiktas matuojant skersinę įtampą (1 pav., Dešinėje).

Termoelektrinis efektas buvo matuojamas įvairiuose magnetiniuose laukuose ir įvairiose temperatūrose, nuo gerokai viršijančios superlaidumo pereinamąją temperatūrą 2,4 kelvino (K) iki 0,1 K (1/3000 300 K, ° kambario temperatūra). , kuris yra artimas absoliučiam nuliui. Tai atskleidžia, kad superlaidumo svyravimai išlieka ne tik skystoje magnetinio srauto srityje (tamsiai raudona sritis 2 paveiksle), kur superlaidumo fazės svyravimai yra ryškiausi, bet ir plačioje temperatūrinio magnetinio lauko srityje, esančioje toliau į išorę. laikoma normalios būsenos sritimi, kurioje sunaikinamas superlaidumas (didelio magnetinio lauko ir aukštos temperatūros sritis virš viršutinės išgaubtos ištisinės linijos 2 paveiksle). Pažymėtina, kad šiluminių (klasikinių) ir kvantinių svyravimų sankirtos linija buvo sėkmingai aptikta pirmą kartą (stora ištisinė linija 2 paveiksle).

Magnetinio lauko vertė, kai susikirtimo linija pasiekia absoliutų nulį, greičiausiai atitinka kvantinį kritinį tašką, kuriame kvantiniai svyravimai yra stipriausi, ir tas taškas (baltas apskritimas 2 paveiksle) aiškiai yra magnetinio lauko diapazone, kuriame yra anomali metalo būsena. Tai buvo pastebėta elektros varžoje. Šio kvantinio kritinio taško egzistavimas iki šiol nebuvo aptiktas atliekant elektrinės varžos matavimus.

Šis rezultatas atskleidžia, kad anomali metalinė būsena magnetiniame lauke esant absoliučiam nuliui 2D superlaidininkuose, kuri išliko neišspręsta 30 metų, atsiranda dėl kvantinio kritinio taško. Kitaip tariant, anomali metalinė būsena yra išsiplėtusi kvantinė kritinė pagrindinė būsena pereinant iš superlaidininko į izoliatorių.

Pasekmės

Įprastų amorfinių superlaidininkų termoelektrinio efekto matavimai gali būti laikomi standartiniais duomenimis apie termoelektrinį efektą superlaidininkams, nes jie fiksuoja superlaidumo svyravimų poveikį be normalios būsenos elektronų indėlio. Šiluminis efektas yra svarbus taikant jį elektrinėse šaldymo sistemose ir pan., todėl reikia sukurti medžiagas, kurios turėtų didelį šiluminį efektą esant žemai temperatūrai, kad būtų padidinta maksimali aušinimo temperatūra. Kai kuriuose superlaidininkuose buvo pranešta apie neįprastai didelius termoelektrinius efektus esant žemai temperatūrai, o palyginimas su esamais duomenimis gali padėti suprasti jų šaltinį.

Būsimi pokyčiai

Vienas iš akademinių interesų, kuriuos reikia plėtoti šiame tyrime, yra paaiškinti teorinę prognozę, kad 2D superlaidininkuose, kurių lokalizacijos poveikis yra stipresnis nei dabartinis pavyzdys, magnetinio srauto linijos bus kvantinės kondensuotos būsenos6. Ateityje planuojame paskelbti eksperimentus naudodami šio tyrimo metodus, kad tai išsiaiškintume.

Šio tyrimo rezultatai buvo paskelbti internete m Gamtos komunikacijos 2024 metų kovo 16 d.

sąlygos

1. Superlaidumo svyravimai: Superlaidumo stiprumas nėra vienodas ir svyruoja laike ir erdvėje. Normalu, kad atsiranda šiluminiai svyravimai, tačiau esant beveik absoliučiam nuliui, kvantiniai svyravimai atsiranda remiantis kvantinės mechanikos neapibrėžtumo principu.
2. Terminis efektas: Šilumos ir elektros energijos mainų poveikis. Įtampa susidaro, kai taikomas temperatūros skirtumas, o temperatūros skirtumas susidaro, kai įjungiama įtampa. Pirmasis yra tiriamas naudoti kaip elektros energijos gamybos įrenginys, o antrasis – kaip aušinimo įrenginys. Šiame tyrime jis buvo naudojamas kaip būdas aptikti superlaidumo svyravimus.
3. 2D superlaidumas: Itin plonas superlaidininkas. Kai storis tampa mažesnis už atstumą tarp elektronų porų, atsakingų už superlaidumą, superlaidumo svyravimų poveikis sustiprėja, o superlaidininkų savybės visiškai skiriasi nuo storesnių superlaidininkų.
4. Kvantinis kritinis taškas, kvantinės fazės perėjimas: Fazinis perėjimas, kuris įvyksta esant absoliučiam nuliui, kai keičiamas toks parametras kaip magnetinis laukas, vadinamas kvantiniu faziniu perėjimu ir skiriasi nuo fazinio perėjimo, kurį sukelia temperatūros pokytis. Kvantinis kritinis taškas yra fazinio perėjimo taškas, kuriame vyksta kvantinės fazės perėjimass Jie atsiranda ten, kur stipriausi kvantiniai svyravimai.
5. Amorfinė struktūra: Medžiagos struktūra, kurioje atomai išsidėstę netaisyklingai ir neturi kristalinės struktūros.
6. Kondensuota kvantinė būsena: Būklė, kai daug dalelių yra žemiausios energijos būsenoje ir elgiasi kaip viena makroskopinė banga. Esant superlaidumui, kondensuojasi daug elektronų porų. Skystas helis taip pat kondensuojasi, kai atšaldomas iki 2,17 K, todėl gaunamas puikus sklandumas ir nėra lipnumo.

Nuoroda: Koichiro Inaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami ir Satoshi Okuma „Išplėstinė kvantinė kritinė pagrindinė būsena netvarkingoje superlaidžioje plonoje plėvelėje“, 2024 m. kovo 16 d. Gamtos komunikacijos.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7