Открытие скрытой квантовой критической точки в двумерных сверхпроводниках
Аномальное металлическое состояние в магнитном поле при абсолютном нуле в двумерных сверхпроводниках возникает из-за существования квантовой критической точки. Другими словами, аномальное металлическое состояние представляет собой расширенное квантовое критическое основное состояние для перехода сверхпроводник-изолятор. Установлено, что квантовое движение линий магнитного потока происходит в аномальном металлическом состоянии с использованием термоэлектрического эффекта, в котором напряжение генерируется в зависимости от теплового потока (градиента температуры), а не тока. В исследовании были изготовлены и использованы тонкие пленки молибден-германий с аморфной структурой (двумерный сверхпроводник с однородной структурой и беспорядком). Его толщина составляет 10 нанометров.
Полная картина флуктуаций сверхпроводимости выявлена в широком диапазоне магнитных полей и в широком диапазоне температур — от значительно более высокой, чем температура сверхпроводящего перехода, до очень низкой температуры 0,1 К. Существование линии пересечения тепловой (классической) и впервые продемонстрированы квантовые флуктуации, и обнаружено, что квантовая критическая точка, в которой эта линия достигает абсолютного нуля, существует внутри аномальной металлической области.
Фото: Коитиро Иэнага
Сверхпроводящие тонкие пленки
Сверхпроводник — это материал, в котором электроны соединяются при низких температурах, что приводит к нулевому электрическому сопротивлению. Он используется в качестве материала для мощных электромагнитов в медицинской МРТ и других приложениях.
Они также считаются важнейшими в качестве крошечных логических элементов в квантовых компьютерах, работающих при криогенных температурах, и существует необходимость выяснения свойств сверхпроводников при криогенных температурах, когда они микроминиатюризированы.
Атомарно тонкие двумерные сверхпроводники сильно подвержены флуктуациям и поэтому проявляют свойства, существенно отличающиеся от свойств более толстых сверхпроводников.
Существует два типа флуктуаций: тепловые (классические), которые более выражены при высоких температурах, и квантовые, что более важны при очень низких температурах. Последнее вызывает множество интересных явлений. Например, когда магнитное поле приложено перпендикулярно к двумерному сверхпроводнику при абсолютном нуле и увеличивается, происходит переход от сверхпроводимости с нулевым сопротивлением к изолятору с локализованными электронами.
Это явление называется переходом сверхпроводник-изолятор, индуцированным магнитным полем, и является типичным примером квантового фазового перехода, вызванного квантовыми флуктуациями. Однако с 1990-х годов известно, что для образцов с относительно слабыми эффектами локализации аномальное металлическое состояние возникает в области промежуточного магнитного поля, где электрическое сопротивление на несколько порядков ниже нормального состояния.
Считается, что источником этого аномального металлического состояния является жидкое состояние, в котором линии магнитного потока, проникающие в сверхпроводник, движутся из-за квантовых флуктуаций.
Однако это предсказание не было подтверждено, поскольку в большинстве предыдущих экспериментов с двумерными сверхпроводниками использовались измерения удельного электрического сопротивления, которые исследовали реакцию напряжения на ток, что затрудняло различие между сигналами напряжения, возникающими в результате движения линий магнитного потока, и сигналами, возникающими из-за движения линий магнитного потока электронов нормальной проводимости.
Исследовательская группа под руководством доцента Коитиро Иэнаги и профессора Сатоши Окума с кафедры физики Школы наук Токийского технологического института в 2020 году сообщила в Physical Review Letters, что квантовое движение линий магнитного потока происходит в аномальном металлическом состоянии с использованием термоэлектрического эффекта. , в котором напряжение генерируется в зависимости от теплового потока (градиента температуры), а не тока.
Для дальнейшего выяснения природы аномального металлического состояния необходимо выяснить механизм разрушения сверхпроводящего состояния за счет квантовой флуктуации и перехода в нормальное (изолирующее) состояние.
В этом исследовании они выполнили измерения, направленные на обнаружение сверхпроводящего флуктуационного состояния, которое является предшественником сверхпроводимости и, как полагают, существует в нормальном состоянии.
(Слева) В магнитном поле умеренной величины линии магнитного потока проникают в виде дефектов, сопровождаемых вихрями сверхпроводящих токов.
(В центре) Концептуальная диаграмма состояния «сверхпроводящих флуктуаций», предшественника сверхпроводимости. Формируются изменяющиеся во времени пространственно неоднородные пузырчатые сверхпроводящие области.
(Справа) Принципиальная схема измерения термоэлектрического эффекта. Движение линий магнитного потока и сверхпроводящие флуктуации генерируют напряжение, перпендикулярное тепловому потоку (градиент температуры).
Фото: Коитиро Иэнага
Результаты исследования
В этом исследовании были изготовлены и использованы тонкие пленки молибден-германий (MoxGe1-x) с аморфной структурой, известные как двумерный сверхпроводник с однородной структурой и беспорядком. Его толщина составляет 10 нанометров (один нанометр — это одна миллиардная метра) и обещает обладать флуктуационными эффектами, характерными для двумерных систем.
Поскольку сигналы флуктуаций не могут быть обнаружены с помощью измерений электросопротивления, поскольку они скрыты в сигнале рассеяния электронов нормальной проводимости, исследователи провели измерения термоэлектрического эффекта, которые могут обнаружить два типа флуктуаций: 1) сверхпроводящие флуктуации (флуктуации амплитуды сверхпроводимости) и 2) движение линий магнитного потока (колебания фазы сверхпроводимости).
При приложении разницы температур в продольном направлении образца сверхпроводящие флуктуации и движение линий магнитного потока генерируют напряжение в поперечном направлении.
Напротив, нормальное движение электронов генерирует напряжение преимущественно в продольном направлении. В таких образцах, как аморфные материалы, где электроны движутся с трудом, напряжение, генерируемое электронами в поперечном направлении, незначительно, поэтому вклад только флуктуаций можно выборочно обнаружить путем измерения поперечного напряжения.
Термоэлектрический эффект был измерен в различных магнитных полях и при различных температурах: от температуры, намного превышающей температуру сверхпроводящего перехода (2,4 К) до очень низкой температуры 0,1 К (1/3000 от 300 К, комнатная температура), близкой к абсолютному нулю. Это показывает, что сверхпроводящие флуктуации сохраняются не только в жидкой области магнитного потока, где флуктуации сверхпроводящей фазы более выражены, но также и в широкой области температуры и магнитного поля дальше наружу, которая считается областью нормального состояния, где сверхпроводимость разрушен.
Примечательно, что впервые была успешно обнаружена линия пересечения тепловых (классических) и квантовых флуктуаций. Значение магнитного поля, когда линия кроссовера достигает абсолютного нуля, вероятно, соответствует квантовой критической точке, где квантовые флуктуации наиболее сильны, и эта точка явно расположена внутри диапазона магнитного поля, где в электрическом сопротивлении наблюдалось аномальное металлическое состояние.
До сих пор не удавалось обнаружить существование этой квантовой критической точки на основе измерений удельного электрического сопротивления. Этот результат показывает, что аномальное металлическое состояние в магнитном поле при абсолютном нуле в двумерных сверхпроводниках, которое остается неразрешенным в течение 30 лет, возникает из-за существования квантовой критической точки. Другими словами, аномальное металлическое состояние представляет собой расширенное квантовое критическое основное состояние для перехода сверхпроводник-изолятор.
Измерения термоэлектрического эффекта, полученные для аморфных обычных сверхпроводников, можно рассматривать как стандартные данные для термоэлектрического эффекта на сверхпроводниках, поскольку они отражают исключительно эффект флуктуаций сверхпроводимости без вклада электронов в нормальном состоянии.
Термоэлектрический эффект важен с точки зрения его применения в системах электрического охлаждения и т. д., и существует необходимость в разработке материалов, которые проявляют большой термоэлектрический эффект при низких температурах, чтобы расширить предел температур охлаждения. Сообщалось об аномально сильных термоэлектрических эффектах при низких температурах в некоторых сверхпроводниках, и сравнение с современными данными может дать ключ к разгадке их происхождения.
Будущие исследования могут продемонстрировать теоретическое предсказание о том, что в двумерных сверхпроводниках с более сильными эффектами локализации, чем в нынешнем образце, линии магнитного потока будут находиться в квантово-конденсированном состоянии. В дальнейшем исследователи планируют провести эксперименты с использованием методов этого исследования с целью их обнаружения.
