24 kwietnia, 2024

Magyar24

Polska Najnowsze wiadomości, zdjęcia, filmy i raporty specjalne z. Polska Blogi, komentarze i wiadomości archiwalne na …

Przełom kwantowy odkrywa ukrytą naturę nadprzewodników

Przełom kwantowy odkrywa ukrytą naturę nadprzewodników

Naukowcy z Tokyo Tech zidentyfikowali krytyczny punkt kwantowy w nadprzewodnikach, rozwiązując zagadkę sprzed trzydziestu lat i pogłębiając wiedzę na temat fluktuacji nadprzewodnictwa. Źródło: SciTechDaily.com

Efekt termiczny ukazuje pełny obraz wahań nadprzewodnictwa.

Słabe wahania nadprzewodnictwa,[1] Zjawisko nadprzewodnictwa udało się odkryć grupie badawczej w Tokijskim Instytucie Technologii (Tokyo Tech). Osiągnięto to poprzez pomiar efektu termicznego[2] W nadprzewodnikach w szerokim zakresie pól magnetycznych i w szerokim zakresie temperatur od znacznie powyżej temperatury przejścia nadprzewodnictwa do bardzo niskich temperatur bliskich Zero absolutne.

Ujawniło to pełny obraz wahań nadprzewodnictwa w zależności od temperatury i pola magnetycznego oraz wykazało pochodzenie anomalnego stanu metalicznego w polach magnetycznych, co stanowiło nierozwiązany problem w dziedzinie nadprzewodnictwa 2D.[3] Od 30 lat istnieje krytyczny punkt kwantowy[4] Gdzie fluktuacje kwantowe są najsilniejsze.

Zrozumienie nadprzewodników

Nadprzewodnik to materiał, w którym elektrony łączą się w pary w niskich temperaturach, co powoduje zerowy opór elektryczny. Jest stosowany jako materiał na potężne elektromagnesy w medycznym rezonansie magnetycznym i innych zastosowaniach. Mają one również kluczowe znaczenie jako małe elementy logiczne w komputerach kwantowych działających w niskich temperaturach, dlatego istnieje potrzeba wyjaśnienia właściwości nadprzewodników niskotemperaturowych w przypadku ich miniaturyzacji.

Atomowo cienkie nadprzewodniki 2D podlegają silnym wahaniom i dlatego wykazują właściwości znacznie różniące się od właściwości grubszych nadprzewodników. Istnieją dwa rodzaje fluktuacji: termiczne (klasyczne), które są bardziej widoczne w wysokich temperaturach i kwantowe, które są bardziej znaczące w bardzo niskich temperaturach, przy czym te ostatnie powodują szereg interesujących zjawisk.

Na przykład, gdy do dwuwymiarowego nadprzewodnika przyłożone jest pole magnetyczne prostopadłe do zera absolutnego i rosnące, następuje przejście od nadprzewodnika o zerowej rezystancji do izolatora ze zlokalizowanymi elektronami. Zjawisko to nazywane jest przejściem izolatora nadprzewodzącego indukowanym polem magnetycznym i jest typowym przykładem kwantowego przejścia fazowego[4] Spowodowane fluktuacjami kwantowymi.

Dwa rodzaje fluktuacji w nadprzewodnikach

Rysunek 1. (Po lewej) W mezoskalowym polu magnetycznym linie strumienia magnetycznego przebijają się w postaci defektów, którym towarzyszą wiry prądów nadprzewodzących. (w środku) Schemat koncepcyjny stanu „fluktuacji nadprzewodnictwa”, prekursora nadprzewodnictwa. Tworzą się zmieniające się w czasie, niejednorodne przestrzennie, przypominające bąbelki obszary nadprzewodzące. (Po prawej) Schematyczny diagram pomiaru efektu cieplnego. Ruch linii strumienia magnetycznego i wahania nadprzewodnictwa generują napięcie prostopadłe do przepływu ciepła (gradient temperatury). Źródło: Koichiro Inaga

Jednakże od lat 90. XX wieku wiadomo, że w przypadku próbek o stosunkowo słabych efektach lokalizacyjnych w pośrednim obszarze pola magnetycznego, gdzie rezystancja elektryczna jest o kilka rzędów wielkości niższa od stanu normalnego, pojawia się anomalny stan metaliczny. Uważa się, że przyczyną tego anomalnego stanu metalicznego jest stan podobny do cieczy, w którym linie strumienia magnetycznego (rysunek 1 po lewej) penetrujące nadprzewodnik są poruszane przez fluktuacje kwantowe.

READ  Zaćmienie słońca 2024 oznaki uszkodzenia oczu spowodowane patrzeniem na słońce

Jednakże przewidywanie to nie zostało udowodnione, ponieważ większość poprzednich eksperymentów z nadprzewodnikami 2D wykorzystywała pomiary rezystancji elektrycznej, które badały reakcję napięcia na prąd, co utrudniało rozróżnienie między sygnałami napięciowymi powstającymi w wyniku ruchu linii strumienia magnetycznego a sygnałami powstającymi w wyniku rozpraszania elektronów o przewodnictwie normalnym.

Zespół badawczy kierowany przez adiunkta Koichiro Inagę i profesora Satoshi Okumę z Wydziału Fizyki Wydziału Nauk Naukowych Uniwersytetu Technologicznego w Tokio poinformował w Listy z przeglądu fizycznego 2020 Kwantowy ruch linii strumienia magnetycznego zachodzi w anomalnym stanie metalicznym przy wykorzystaniu efektu termoelektrycznego, podczas którego generowane jest napięcie elektryczne w zależności od przepływu ciepła (gradient temperatury), a nie prądu.

Aby jednak dokładniej wyjaśnić pochodzenie anomalnego stanu metalicznego, konieczne jest wyjaśnienie mechanizmu, dzięki któremu stan nadprzewodzący ulega zniszczeniu w wyniku fluktuacji kwantowej i przejścia do stanu normalnego (izolującego). W tym badaniu przeprowadzili pomiary mające na celu wykrycie stanu fluktuacji nadprzewodnictwa (środek rys. 1), czyli stanu poprzedzającego nadprzewodnictwo, które, jak się uważa, występuje w stanie naturalnym.

Mapa kolorów sygnału termoelektrycznego rejestrująca wahania nadprzewodnictwa

Rysunek 2. Pełny obraz wahań nadprzewodnictwa ujawnia się w szerokim zakresie pola magnetycznego i w szerokim zakresie temperatur, od znacznie powyżej temperatury przejścia w nadprzewodnictwo do tak niskich jak 0,1 K. Po raz pierwszy wykazano istnienie linii przecięcia ciepła (klasycznego) i fluktuacji kwantowych i stwierdzono, że kwantowy punkt krytyczny, w którym linia ta osiąga zero absolutne, znajduje się w anomalnym obszarze metalicznym. Źródło: Koichiro Inaga

Osiągnięcia i techniki badawcze

W tym badaniu molibden i german (MoSOjej1-S) cienkiS O amorficznej strukturze,[5] Znany jako dwuwymiarowy nadprzewodnik o jednolitej i chaotycznej strukturze, został wyprodukowany i zastosowany. Ma grubość 10 nanometrów (jeden nanometr to jedna miliardowa metra) i może powodować efekty fluktuacji charakterystyczne dla systemów 2D.

Ponieważ sygnałów fluktuacji nie można wykryć za pomocą pomiarów rezystancji elektrycznej, ponieważ są one ukryte w sygnale rozproszenia elektronów przewodnictwa normalnego, przeprowadziliśmy pomiary efektu termoelektrycznego, które mogą wykryć dwa rodzaje fluktuacji: (1) fluktuacje nadprzewodnictwa (wahania pojemności nadprzewodnictwa) i ( 2) Ruch linii strumienia magnetycznego (wahania w fazie nadprzewodzącej).

READ  Nierozwiązana tajemnica pochodzenia życia: nowa strategia

Kiedy w kierunku wzdłużnym próbki przyłożona jest różnica temperatur, wahania nadprzewodnictwa i ruch linii strumienia magnetycznego generują napięcie w kierunku poprzecznym. Natomiast normalny ruch elektronów generuje napięcie głównie w kierunku wzdłużnym. Zwłaszcza w próbkach takich jak materiały amorficzne, w których elektrony nie poruszają się łatwo, napięcie generowane przez elektrony w kierunku poprzecznym jest małe, więc sam udział fluktuacji można selektywnie wykryć poprzez pomiar napięcia poprzecznego (rysunek 1, po prawej).

Efekt termoelektryczny mierzono w różnych polach magnetycznych i w różnych temperaturach w zakresie od znacznie powyżej temperatury przejścia w nadprzewodnictwo wynoszącej 2,4 kelwina (K) do zaledwie 0,1 K (1/3000 z 300 K, ° temperatura pokojowa) , czyli blisko zera absolutnego. To pokazuje, że fluktuacje nadprzewodnictwa pozostają obecne nie tylko w ciekłym obszarze strumienia magnetycznego (ciemnoczerwony obszar na rysunku 2), gdzie fluktuacje fazy nadprzewodnictwa są najbardziej widoczne, ale także w szerokim obszarze pola magnetycznego temperatury położonym dalej na zewnątrz, który jest uważany za obszar stanu normalnego, w którym nadprzewodnictwo ulega zniszczeniu (obszar silnego pola magnetycznego i wysokiej temperatury powyżej górnej wypukłej linii ciągłej na rysunku 2). Warto zauważyć, że po raz pierwszy udało się odkryć linię przecięcia pomiędzy fluktuacjami termicznymi (klasycznymi) i kwantowymi (gruba linia ciągła na rysunku 2).

Wartość pola magnetycznego, gdy linia przecięcia osiąga zero absolutne, prawdopodobnie odpowiada kwantowemu punktowi krytycznemu, w którym fluktuacje kwantowe są najsilniejsze, a punkt ten (białe kółko na rysunku 2) wyraźnie leży w zakresie pola magnetycznego, w którym występuje anomalny stan metaliczny. Zaobserwowano to w oporze elektrycznym. Istnienie tego kwantowego punktu krytycznego nie zostało dotychczas wykryte na podstawie pomiarów rezystancji elektrycznej.

Wynik ten pokazuje, że anomalny stan metaliczny w polu magnetycznym w temperaturze zera absolutnego w nadprzewodnikach 2D, który pozostaje nierozwiązany od 30 lat, wynika z istnienia kwantowego punktu krytycznego. Innymi słowy, anomalny stan metaliczny jest rozszerzonym kwantowo-krytycznym stanem podstawowym dla przejścia od nadprzewodnika do izolatora.

READ  Dlaczego naukowcy są zaniepokojeni W Bosonem: „Coś jest nie w porządku”

Konsekwencje

Pomiary efektu termoelektrycznego uzyskane dla konwencjonalnych nadprzewodników amorficznych można uznać za standardowe dane dotyczące efektu termoelektrycznego na nadprzewodnikach, ponieważ oddają one efekt wahań nadprzewodnictwa bez udziału elektronów w stanie normalnym. Efekt cieplny jest ważny z punktu widzenia jego zastosowania w elektrycznych układach chłodniczych itp. i istnieje potrzeba opracowania materiałów, które wykazują znaczny efekt termiczny w niskich temperaturach, aby wydłużyć maksymalne temperatury chłodzenia. W przypadku niektórych nadprzewodników donoszono o niezwykle dużych efektach termoelektrycznych w niskich temperaturach, a porównanie z istniejącymi danymi może dostarczyć wskazówki co do ich źródła.

Przyszły rozwój

Jednym z zainteresowań akademickich, które należy rozwinąć w tym badaniu, jest wyjaśnienie teoretycznej prognozy, że w nadprzewodnikach 2D o silniejszych efektach lokalizacyjnych niż w niniejszej próbce linie strumienia magnetycznego będą w stanie skondensowanym kwantowo6. W przyszłości planujemy opublikować eksperymenty wykorzystujące metody tego badania, aby się tego dowiedzieć.

Wyniki tego badania opublikowano w Internecie w Komunikacja przyrodnicza 16 marca 2024 r.

warunki

  1. Wahania nadprzewodnictwa: Siła nadprzewodnictwa nie jest jednolita i zmienia się w czasie i przestrzeni. Występowanie fluktuacji termicznych jest zjawiskiem normalnym, ale w pobliżu zera absolutnego fluktuacje kwantowe powstają w oparciu o zasadę nieoznaczoności mechaniki kwantowej.
  2. Efekt termiczny: Wpływ wymiany energii cieplnej i elektrycznej. Napięcie powstaje po przyłożeniu różnicy temperatur, natomiast różnica temperatur powstaje po przyłożeniu napięcia. Ten pierwszy jest badany pod kątem zastosowania jako urządzenie do wytwarzania energii, a drugi jako urządzenie chłodzące. W tym badaniu wykorzystano go jako sposób na wykrycie wahań nadprzewodnictwa.
  3. Nadprzewodnictwo 2D: Ultracienki nadprzewodnik. Kiedy grubość staje się mniejsza niż odległość między parami elektronów odpowiedzialnych za nadprzewodnictwo, efekt wahań nadprzewodnictwa staje się silniejszy, a właściwości nadprzewodników są zupełnie inne niż nadprzewodników grubszych.
  4. Kwantowy punkt krytyczny, kwantowe przejście fazowe: Przejście fazowe, które zachodzi w temperaturze zera absolutnego, gdy zmienia się parametr taki jak pole magnetyczne, nazywane jest kwantowym przejściem fazowym i różni się od przejścia fazowego spowodowanego zmianą temperatury. Kwantowy punkt krytyczny to punkt przejścia fazowego, w którym następuje kwantowe przejście fazoweS Występują tam, gdzie fluktuacje kwantowe są najsilniejsze.
  5. Struktura amorficzna: Struktura materii, w której atomy są ułożone nieregularnie i nie mają struktury krystalicznej.
  6. Skondensowany stan kwantowy: Stan, w którym duża liczba cząstek znajduje się w najniższym stanie energetycznym i zachowuje się jak pojedyncza fala makroskopowa. W nadprzewodnictwie wiele par elektronów ulega kondensacji. Ciekły hel również skrapla się po schłodzeniu do 2,17 K, co zapewnia doskonałą płynność i brak lepkości.

Odniesienie: „Rozszerzony krytyczny kwantowy stan podstawowy w nieuporządkowanej nadprzewodzącej cienkiej warstwie” autorstwa Koichiro Inagi, Yutaki Tamoto, Masahiro Yody, Yuki Yoshimury, Takahiro Ishigami i Satoshi Okuma, 16 marca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7