Quantendurchbruch enthüllt die verborgene Natur des Supraleiters

Der thermoelektrische Effekt zeigt ein vollständiges Bild der Schwankungen der Supraleitung.

Schwache Schwankungen der Supraleitung,^[1] ein Vorläuferphänomen der Supraleitung, wurden von einer Forschungsgruppe am Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) erfolgreich entdeckt. Dieser Durchbruch gelang durch die Messung des thermoelektrischen Effekts^[2] in Supraleitern über einen weiten Bereich von Magnetfeldern und über einen weiten Temperaturbereich von viel höher als der supraleitenden Übergangstemperatur bis hin zu sehr niedrigen Temperaturen in der Nähe Absoluter Nullpunkt.

Dies enthüllte das vollständige Bild der Schwankungen der Supraleitung in Bezug auf Temperatur und Magnetfeld und zeigte den Ursprung des anomalen metallischen Zustands in Magnetfeldern, der ein ungelöstes Problem auf dem Gebiet der zweidimensionalen Supraleitung darstellt^[3] seit 30 Jahren ist die Existenz eines quantenkritischen Punktes^[4] wo die Quantenfluktuationen am stärksten sind.

Supraleiter verstehen

Ein Supraleiter ist ein Material, in dem sich Elektronen bei niedrigen Temperaturen paaren, was zu einem elektrischen Widerstand von Null führt. Es wird als Material für leistungsstarke Elektromagnete in der medizinischen MRT und anderen Anwendungen verwendet. Sie gelten auch als entscheidende winzige Logikelemente in Quantencomputern, die bei kryogenen Temperaturen arbeiten, und es besteht ein Bedarf, die Eigenschaften von Supraleitern bei kryogenen Temperaturen aufzuklären, wenn sie mikrominiaturisiert werden.

Atomar dünne zweidimensionale Supraleiter sind stark von Schwankungen betroffen und weisen daher Eigenschaften auf, die sich deutlich von denen dickerer Supraleiter unterscheiden. Es gibt zwei Arten von Schwankungen: thermische (klassische), die bei hohen Temperaturen stärker ausgeprägt sind, und Quantenschwankungen, die bei sehr niedrigen Temperaturen wichtiger sind. Letztere verursachen eine Vielzahl interessanter Phänomene.

Wenn beispielsweise ein Magnetfeld senkrecht auf einen zweidimensionalen Supraleiter am absoluten Nullpunkt angelegt und erhöht wird, findet ein Übergang von der Supraleitung mit Nullwiderstand zu einem Isolator mit lokalisierten Elektronen statt. Dieses Phänomen wird als magnetfeldinduzierter Supraleiter-Isolator-Übergang bezeichnet und ist ein typisches Beispiel für einen Quantenphasenübergang^[4] verursacht durch Quantenfluktuationen.

Abbildung 1. (Links) In einem Magnetfeld mittlerer Stärke dringen magnetische Flusslinien in Form von Defekten ein, begleitet von Wirbeln supraleitender Ströme. (Mitte) Konzeptdiagramm des Zustands der „supraleitenden Fluktuation“, einem Vorläufer der Supraleitung. Es entstehen zeitlich veränderliche, räumlich ungleichmäßige, blasenartige supraleitende Regionen. (Rechts) Schematische Darstellung der Messung des thermoelektrischen Effekts. Die Bewegung magnetischer Flusslinien und supraleitende Schwankungen erzeugen eine Spannung senkrecht zum Wärmefluss (Temperaturgradient). Bildnachweis: Koichiro Ienaga

Allerdings ist seit den 1990er Jahren bekannt, dass bei Proben mit relativ schwachen Lokalisierungseffekten ein anomaler metallischer Zustand im mittleren Magnetfeldbereich auftritt, wo der elektrische Widerstand mehrere Größenordnungen niedriger ist als im Normalzustand. Als Ursprung dieses anomalen metallischen Zustands wird ein flüssigkeitsähnlicher Zustand vermutet, in dem magnetische Flusslinien (Abb. 1 links), die in den Supraleiter eindringen, aufgrund von Quantenfluktuationen umherwandern.

Diese Vorhersage wurde jedoch nicht bestätigt, da die meisten früheren Experimente mit zweidimensionalen Supraleitern elektrische Widerstandsmessungen verwendeten, die die Spannungsreaktion auf den Strom untersuchten, was es schwierig machte, zwischen Spannungssignalen zu unterscheiden, die von der Bewegung magnetischer Flusslinien herrühren, und solchen, die von der Bewegung magnetischer Flusslinien herrühren die Streuung normalleitender Elektronen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Assistenzprofessor Koichiro Ienaga und Professor Satoshi Okuma vom Fachbereich Physik der School of Science der Tokyo Tech berichtete in Briefe zur körperlichen Untersuchung im Jahr 2020, dass die Quantenbewegung magnetischer Flusslinien in einem anomalen metallischen Zustand durch Nutzung des thermoelektrischen Effekts erfolgt, bei dem Spannung in Bezug auf Wärmefluss (Temperaturgradient) und nicht in Bezug auf Strom erzeugt wird.

Um jedoch den Ursprung des anomalen metallischen Zustands weiter zu klären, ist es notwendig, den Mechanismus aufzuklären, durch den der supraleitende Zustand durch Quantenfluktuation und Übergänge in den normalen (isolierenden) Zustand zerstört wird. In dieser Studie führten sie Messungen durch, die darauf abzielten, den supraleitenden Fluktuationszustand (Mitte von Abb. 1) zu erkennen, der ein Vorläuferzustand der Supraleitung ist und vermutlich im Normalzustand existiert.

Abbildung 2. Das vollständige Bild der Schwankungen der Supraleitung wurde über einen weiten Magnetfeldbereich und über einen weiten Temperaturbereich offenbart, von viel höher als der supraleitenden Übergangstemperatur bis zu einer sehr niedrigen Temperatur von 0,1 K. Die Existenz einer Kreuzungslinie zwischen thermischen (klassische) und Quantenfluktuationen werden zum ersten Mal nachgewiesen, und der quantenkritische Punkt, an dem diese Linie den absoluten Nullpunkt erreicht, liegt innerhalb des anomalen metallischen Bereichs. Bildnachweis: Koichiro Ienaga

Forschungserfolge und -techniken

In dieser Studie wurde ein Molybdän-Germanium (Mo_XGe_1-X) dünner FilmS mit amorpher Struktur,^[5] Bekannt als zweidimensionaler Supraleiter mit einheitlicher Struktur und Unordnung, wurde hergestellt und verwendet. Es ist 10 Nanometer dick (ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter) und verspricht die für zweidimensionale Systeme charakteristischen Fluktuationseffekte.

Da Fluktuationssignale durch elektrische Widerstandsmessungen nicht erkannt werden können, weil sie im Signal der normalleitenden Elektronenstreuung verborgen sind, haben wir Messungen des thermoelektrischen Effekts durchgeführt, mit denen zwei Arten von Fluktuationen erkannt werden können: (1) supraleitende Fluktuationen (Schwankungen in der Amplitude der Supraleitung). ) und (2) magnetische Flusslinienbewegung (Schwankungen in der Phase der Supraleitung).

Wenn in Längsrichtung der Probe ein Temperaturunterschied angelegt wird, erzeugen die supraleitenden Schwankungen und die Bewegung der magnetischen Flusslinien eine Spannung in Querrichtung. Im Gegensatz dazu erzeugt die normale Elektronenbewegung Spannung hauptsächlich in Längsrichtung. Insbesondere in Proben wie amorphen Materialien, in denen sich Elektronen nicht leicht bewegen können, ist die von Elektronen in Querrichtung erzeugte Spannung vernachlässigbar, sodass allein der Fluktuationsbeitrag durch Messung der Querspannung selektiv erfasst werden kann (Abb. 1, rechts).

Der thermoelektrische Effekt wurde in verschiedenen Magnetfeldern und bei verschiedenen Temperaturen gemessen, die von weit über der supraleitenden Übergangstemperatur von 2,4 K (Kelvin) bis zu einer sehr niedrigen Temperatur von 0,1 K (1/3000 von 300 K, der Raumtemperatur) reichten ), der nahe am absoluten Nullpunkt liegt. Dies zeigt, dass supraleitende Schwankungen nicht nur im flüssigen Bereich des magnetischen Flusses (dunkelroter Bereich in Abb. 2) bestehen bleiben, wo supraleitende Phasenschwankungen stärker ausgeprägt sind, sondern auch über einen weiten Temperatur-Magnetfeld-Bereich weiter außen, von dem angenommen wird, dass er weiter außen liegt sei der Normalzustandsbereich, in dem die Supraleitung zerstört wird (der Hochtemperatur- und Hochmagnetfeldbereich über der oberen konvexen durchgezogenen Linie in Abb. 2). Bemerkenswert ist, dass die Kreuzungslinie zwischen thermischen (klassischen) und Quantenfluktuationen erstmals erfolgreich nachgewiesen wurde (dicke durchgezogene Linie in Abb. 2).

Der Wert des Magnetfelds, wenn die Kreuzungslinie den absoluten Nullpunkt erreicht, entspricht wahrscheinlich dem quantenkritischen Punkt, an dem die Quantenfluktuationen am stärksten sind, und dieser Punkt (weißer Kreis in Abb. 2) liegt eindeutig innerhalb des Magnetfeldbereichs, in dem ein anomaler metallischer Zustand vorliegt wurde im elektrischen Widerstand beobachtet. Bisher war es nicht möglich, die Existenz dieses quantenkritischen Punktes anhand elektrischer Widerstandsmessungen nachzuweisen.

Dieses Ergebnis zeigt, dass der seit 30 Jahren ungelöste anomale metallische Zustand in einem Magnetfeld beim absoluten Nullpunkt in zweidimensionalen Supraleitern auf die Existenz des quantenkritischen Punktes zurückzuführen ist. Mit anderen Worten: Der anomale metallische Zustand ist ein erweiterter quantenkritischer Grundzustand für den Supraleiter-Isolator-Übergang.

Implikationen

Die für amorphe konventionelle Supraleiter erhaltenen Messungen des thermoelektrischen Effekts können als Standarddaten für den thermoelektrischen Effekt auf Supraleiter angesehen werden, da sie lediglich den Effekt von Schwankungen der Supraleitung ohne den Beitrag von Elektronen im Normalzustand erfassen. Der thermoelektrische Effekt ist im Hinblick auf seine Anwendung auf elektrische Kühlsysteme usw. wichtig, und es besteht die Notwendigkeit, Materialien zu entwickeln, die bei niedrigen Temperaturen einen großen thermoelektrischen Effekt zeigen, um die Grenze der Kühltemperaturen zu erweitern. Bei bestimmten Supraleitern wurden bei niedrigen Temperaturen ungewöhnlich große thermoelektrische Effekte gemeldet, und ein Vergleich mit den vorliegenden Daten könnte einen Hinweis auf deren Ursprung liefern.

Zukünftige Entwicklung

Von akademischem Interesse, das in dieser Studie entwickelt wird, ist die Demonstration der theoretischen Vorhersage, dass in zweidimensionalen Supraleitern mit stärkeren Lokalisierungseffekten als in der vorliegenden Probe die magnetischen Flusslinien in einem quantenkondensierten Zustand vorliegen werden6. Für die Zukunft planen wir, Experimente mit den Methoden dieser Studie durchzuführen, um sie nachzuweisen.

Die Ergebnisse dieser Studie wurden online veröffentlicht in Naturkommunikation am 16. März 2024.

Bedingungen

1. Schwankungen der Supraleitung: Die Stärke der Supraleitung ist nicht einheitlich und schwankt zeitlich und räumlich. Es ist normal, dass thermische Schwankungen auftreten, aber in der Nähe des absoluten Nullpunkts treten Quantenfluktuationen auf, die auf dem quantenmechanischen Unschärfeprinzip basieren.
2. Thermoelektrischer Effekt: Ein Effekt des Austauschs thermischer und elektrischer Energie. Beim Anlegen einer Temperaturdifferenz entsteht eine Spannung, beim Anlegen einer Spannung entsteht eine Temperaturdifferenz. Ersteres wird für den Einsatz als Stromerzeugungsgerät und letzteres als Kühlgerät untersucht. In dieser Studie wird es als Methode zur Erkennung von Schwankungen der Supraleitung eingesetzt.
3. Zweidimensionale Supraleitung: Ein sehr dünner Supraleiter. Wenn die Dicke geringer wird als der Abstand zwischen den für die Supraleitung verantwortlichen Elektronenpaaren, wird der Effekt von Schwankungen in der Supraleitung stärker und die Eigenschaften der Supraleiter unterscheiden sich stark von denen dickerer Supraleiter.
4. Quantenkritischer Punkt, Quantenphasenübergang: Ein Phasenübergang, der beim absoluten Nullpunkt auftritt, wenn ein Parameter wie ein Magnetfeld geändert wird, wird als Quantenphasenübergang bezeichnet und unterscheidet sich von einem Phasenübergang, der durch eine Temperaturänderung verursacht wird. Der quantenkritische Punkt ist der Phasenübergangspunkt, an dem ein Quantenphasenübergang stattfindetS auftreten und wo die Quantenfluktuationen am stärksten sind.
5. Amorphe Struktur: Eine Materialstruktur, in der Atome unregelmäßig angeordnet sind und die keine kristalline Struktur aufweist.
6. Quantenkondensierter Zustand: Ein Zustand, in dem eine große Anzahl von Teilchen in den Zustand mit der niedrigsten Energie fallen und sich wie eine einzelne makroskopische Welle verhalten. Im supraleitenden Zustand sind viele Elektronenpaare kondensiert. Flüssiges Helium kondensiert auch, wenn es auf 2,17 K abgekühlt wird, wodurch eine Supraflüssigkeit ohne Viskosität entsteht.

Referenz: „Erweiterter quantenkritischer Grundzustand in einem ungeordneten supraleitenden Dünnfilm“ von Koichiro Ienaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami und Satoshi Okuma, 16. März 2024, Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-024-46628-7