Tepelný efekt odhaľuje úplný obraz kolísania supravodivosti.

slabé kolísanie supravodivosti,^[1] Fenomén supravodivosti úspešne objavila výskumná skupina na Tokijskom technologickom inštitúte (Tokyo Tech). Tento výkon bol dosiahnutý meraním tepelného efektu^[2] V supravodičoch v širokom rozsahu magnetických polí a v širokom rozsahu teplôt od značne nad teplotou supravodivého prechodu až po veľmi nízke teploty blízko Absolútna nula.

Toto odhalilo úplný obraz fluktuácií supravodivosti vzhľadom na teplotu a magnetické pole a demonštrovalo pôvod anomálneho kovového stavu v magnetických poliach, čo bol nevyriešený problém v oblasti 2D supravodivosti.^[3] Už 30 rokov existuje kritický kvantový bod^[4] Kde sú kvantové fluktuácie najsilnejšie.

Pochopenie supravodičov

Supravodič je materiál, v ktorom sa elektróny párujú pri nízkych teplotách, čo vedie k nulovému elektrickému odporu. Používa sa ako materiál pre výkonné elektromagnety v medicínskej MRI a iných aplikáciách. Sú tiež kľúčové ako malé logické prvky v kvantových počítačoch, ktoré pracujú pri nízkych teplotách, a je potrebné objasniť vlastnosti nízkoteplotných supravodičov, keď sú miniaturizované.

Atómovo tenké 2D supravodiče sú silne ovplyvnené fluktuáciami, a preto vykazujú vlastnosti, ktoré sa výrazne líšia od vlastností hrubších supravodičov. Existujú dva typy fluktuácií: termické (klasické), ktoré sú výraznejšie pri vysokých teplotách, a kvantové, ktoré sú výraznejšie pri veľmi nízkych teplotách, pričom druhé spôsobujú rôzne zaujímavé javy.

Napríklad, keď sa magnetické pole aplikuje kolmo na dvojrozmerný supravodič pri absolútnej nule a zväčšuje sa, dochádza k prechodu zo supravodiča s nulovým odporom na izolátor s lokalizovanými elektrónmi. Tento jav sa nazýva supravodivý prechod izolátora indukovaný magnetickým poľom a je typickým príkladom kvantového fázového prechodu^[4] Spôsobené kvantovými fluktuáciami.

Obrázok 1. (vľavo) V magnetickom poli mezomierky prerážajú čiary magnetického toku vo forme defektov sprevádzaných vírmi supravodivých prúdov. (Stred) Koncepčný diagram stavu „kolísania supravodivosti“, predchodca supravodivosti. Vznikajú časovo premenné, priestorovo nerovnomerné, bublinovité supravodivé oblasti. (Vpravo) Schematický diagram merania tepelného efektu. Pohyb čiary magnetického toku a kolísanie supravodivosti generuje napätie kolmé na tok tepla (teplotný gradient). Poďakovanie: Koichiro Inaga

Od 90. rokov je však známe, že pri vzorkách s relatívne slabými lokalizačnými účinkami sa v strednej oblasti magnetického poľa objavuje anomálny kovový stav, kde je elektrický odpor o niekoľko rádov nižší ako normálny stav. Za pôvod tohto anomálneho kovového stavu sa považuje stav podobný kvapaline, v ktorom sa čiary magnetického toku (obrázok 1 vľavo), ktoré prenikajú do supravodiča, pohybujú kvantovými fluktuáciami.

Táto predpoveď sa však nepreukázala, pretože väčšina predchádzajúcich experimentov na 2D supravodičoch používala merania elektrického odporu, ktoré skúmali odozvu napätia na prúd, čo sťažuje rozlíšenie medzi napäťovými signálmi vznikajúcimi pri pohybe magnetických siločiar a signálmi vznikajúcimi pri rozptyle. elektrónov s normálnou vodivosťou.

Výskumný tím pod vedením asistenta profesora Koichiro Inaga a profesora Satoshi Okuma z Katedry fyziky Prírodovedeckej fakulty Tokijskej technickej univerzity informoval v r. Fyzické kontrolné listy 2020 Kvantový pohyb magnetických siločiar nastáva v anomálnom kovovom stave pomocou termoelektrického javu, kde sa elektrické napätie generuje s ohľadom na tepelný tok (teplotný gradient) a nie prúd.

Pre bližšie objasnenie pôvodu anomálneho kovového stavu je však potrebné objasniť mechanizmus, ktorým sa supravodivý stav ničí kvantovou fluktuáciou a prechádza do normálneho (izolačného) stavu. V tejto štúdii vykonali merania zamerané na detekciu fluktuačného stavu supravodivosti (v strede obrázku 1), stavu prekurzora supravodivosti, o ktorom sa predpokladá, že existuje v prirodzenom stave.

Obrázok 2. Úplný obraz fluktuácií supravodivosti je odkrytý v širokom rozsahu magnetického poľa a v širokom rozsahu teplôt, od značnej nad teplotou supravodivého prechodu až po 0,1 K. Existencia priesečníka medzi teplom (klasickým) a kvantovými fluktuáciami bola demonštrovaná prvýkrát a kvantový kritický bod, v ktorom táto čiara dosahuje absolútnu nulu, sa nachádza v anomálnej kovovej oblasti. Poďakovanie: Koichiro Inaga

Úspechy a techniky výskumu

V tejto štúdii molybdén germánium (Mo_sPáni_1-s) tenkýs S amorfnou štruktúrou,^[5] Bol vyrobený a používaný, známy ako dvojrozmerný supravodič s jednotnou a chaotickou štruktúrou. Má hrúbku 10 nanometrov (jeden nanometer je miliardtina metra) a sľubuje fluktuačné efekty charakteristické pre 2D systémy.

Keďže fluktuačné signály nie je možné detekovať meraním elektrického odporu, pretože sú pochované v signáli rozptylu elektrónov s normálnou vodivosťou, vykonali sme merania termoelektrického javu, ktorý dokáže detekovať dva typy fluktuácií: (1) fluktuácie supravodivosti (kolísanie kapacity supravodivosti) a ( 2) Pohyb siločiary magnetického toku (kolísanie supravodivej fázy).

Keď sa teplotný rozdiel aplikuje v pozdĺžnom smere vzorky, kolísanie supravodivosti a pohyb magnetických siločiar generuje napätie v priečnom smere. Naproti tomu normálny pohyb elektrónov generuje napätie hlavne v pozdĺžnom smere. Najmä vo vzorkách, ako sú amorfné materiály, kde sa elektróny nepohybujú ľahko, je napätie generované elektrónmi v priečnom smere malé, takže samotný príspevok fluktuácie môže byť selektívne detekovaný meraním priečneho napätia (obrázok 1, vpravo).

Termoelektrický efekt bol meraný v rôznych magnetických poliach a pri rôznych teplotách v rozmedzí od teploty vysoko nad teplotou prechodu supravodivosti 2,4 kelvina (K) až po 0,1 K (1/3000 z 300 K, ° izbová teplota) , ktorá je blízka absolútnej nule. To ukazuje, že fluktuácie supravodivosti zostávajú prítomné nielen v kvapalnej oblasti magnetického toku (tmavočervená oblasť na obrázku 2), kde sú fluktuácie supravodivých fáz najzreteľnejšie, ale aj v širokej oblasti teplotného magnetického poľa ďalej smerom von, čo je považuje sa za oblasť normálneho stavu, kde je zničená supravodivosť (oblasť vysokého magnetického poľa a vysokej teploty nad hornou konvexnou plnou čiarou na obrázku 2). Je pozoruhodné, že po prvýkrát bola úspešne objavená priesečník medzi tepelnými (klasickými) a kvantovými fluktuáciami (hrubá plná čiara na obrázku 2).

Hodnota magnetického poľa, keď priesečník dosiahne absolútnu nulu, pravdepodobne zodpovedá kvantovému kritickému bodu, kde sú kvantové fluktuácie najsilnejšie, a tento bod (biely kruh na obrázku 2) jasne leží v rozsahu magnetického poľa, kde existuje anomálny kovový stav. Bolo to pozorované v elektrickom odpore. Existencia tohto kvantového kritického bodu nebola doteraz zistená z meraní elektrického odporu.

Tento výsledok odhaľuje, že anomálny kovový stav v magnetickom poli pri absolútnej nule v 2D supravodičoch, ktorý zostal nevyriešený 30 rokov, vzniká z existencie kvantového kritického bodu. Inými slovami, anomálny kovový stav je rozšírený kvantovo kritický základný stav pre prechod zo supravodiča na izolátor.

Dôsledky

Merania termoelektrického javu získané pre konvenčné amorfné supravodiče možno považovať za štandardné údaje pre termoelektrický jav na supravodičoch, pretože zachytávajú vplyv fluktuácií supravodivosti bez prispenia elektrónov v normálnom stave. Tepelný efekt je dôležitý z hľadiska jeho aplikácie na elektrické chladiace systémy atď., a preto je potrebné vyvinúť materiály, ktoré vykazujú významný tepelný efekt pri nízkych teplotách, aby sa predĺžili maximálne teploty chladenia. V niektorých supravodičoch boli zaznamenané nezvyčajne veľké termoelektrické efekty pri nízkych teplotách a porovnanie s existujúcimi údajmi môže poskytnúť vodítko k ich zdroju.

Budúci vývoj

Jedným z akademických záujmov, ktoré sa majú v tejto štúdii rozvinúť, je objasniť teoretickú predpoveď, že v 2D supravodičoch so silnejšími lokalizačnými účinkami ako súčasná vzorka budú čiary magnetického toku v kvantovom kondenzovanom stave6. V budúcnosti plánujeme publikovať experimenty využívajúce metódy tejto štúdie, aby sme to zistili.

Výsledky tejto štúdie boli zverejnené online v r Prírodné komunikácie 16. marca 2024.

podmienky

1. Kolísanie supravodivosti: Sila supravodivosti nie je rovnomerná a kolíše v čase a priestore. Je normálne, že sa vyskytujú tepelné fluktuácie, ale v blízkosti absolútnej nuly sa vyskytujú kvantové fluktuácie na základe princípu neurčitosti kvantovej mechaniky.
2. Tepelný efekt: Vplyv výmeny tepelnej a elektrickej energie. Napätie sa generuje, keď sa použije teplotný rozdiel, zatiaľ čo teplotný rozdiel sa vytvorí, keď sa použije napätie. Prvé sa skúma na použitie ako zariadenie na výrobu energie a druhé ako chladiace zariadenie. V tejto štúdii bol použitý ako spôsob detekcie kolísania supravodivosti.
3. 2D supravodivosť: Ultra tenký supravodič. Keď je hrúbka menšia ako vzdialenosť medzi pármi elektrónov zodpovedných za supravodivosť, účinok kolísania supravodivosti sa stáva silnejším a vlastnosti supravodičov sú úplne odlišné od vlastností hrubších supravodičov.
4. Kvantový kritický bod, kvantový fázový prechod: Fázový prechod, ktorý nastáva pri absolútnej nule, keď sa zmení parameter, ako je magnetické pole, sa nazýva kvantový fázový prechod a odlišuje sa od fázového prechodu spôsobeného zmenou teploty. Kvantový kritický bod je bod fázového prechodu, kde prebieha kvantový fázový prechods Vyskytujú sa tam, kde sú kvantové fluktuácie najsilnejšie.
5. Amorfná štruktúra: Štruktúra hmoty, v ktorej sú atómy usporiadané nepravidelne a nemajú kryštalickú štruktúru.
6. Kondenzovaný kvantový stav: Stav, v ktorom je veľké množstvo častíc v stave najnižšej energie a správa sa ako jediná makroskopická vlna. V supravodivosti je veľa párov elektrónov kondenzovaných. Kvapalné hélium tiež kondenzuje pri ochladení na 2,17 K, čo vedie k vynikajúcej tekutosti bez lepivosti.

Referencia: „Rozšírený kvantový kritický základný stav v neusporiadanom supravodivom tenkom filme“ od Koichiro Inaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami a Satoshi Okuma, 16. marca 2024, Prírodné komunikácie.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7