El avance cuántico revela la naturaleza oculta de los superconductores

El efecto térmico revela el panorama completo de las fluctuaciones de la superconductividad.

Débiles fluctuaciones en la superconductividad,^[1] El fenómeno de la superconductividad fue descubierto con éxito por un grupo de investigación del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech). Esta hazaña se logró midiendo el efecto térmico.^[2] En superconductores en una amplia gama de campos magnéticos y en una amplia gama de temperaturas, desde muy por encima de la temperatura de transición superconductora hasta temperaturas muy bajas cercanas Cero absoluto.

Esto reveló el panorama completo de las fluctuaciones de la superconductividad con respecto a la temperatura y el campo magnético, y demostró el origen del estado metálico anómalo en los campos magnéticos, que había sido un problema sin resolver en el campo de la superconductividad 2D.^[3] Desde hace 30 años existe un punto cuántico crítico^[4] Donde las fluctuaciones cuánticas son más fuertes.

Entendiendo los superconductores

Un superconductor es un material en el que los electrones se emparejan a bajas temperaturas, lo que da como resultado una resistencia eléctrica nula. Se utiliza como material para electroimanes potentes en resonancias magnéticas médicas y otras aplicaciones. También son cruciales como pequeños elementos lógicos en computadoras cuánticas que operan a bajas temperaturas, y existe la necesidad de dilucidar las propiedades de los superconductores de baja temperatura cuando se miniaturizan.

Los superconductores 2D atómicamente delgados se ven fuertemente afectados por las fluctuaciones y, por lo tanto, exhiben propiedades que difieren significativamente de las de los superconductores más gruesos. Hay dos tipos de fluctuaciones: térmicas (clásicas), que son más pronunciadas a altas temperaturas, y cuánticas, que son más significativas a temperaturas muy bajas; esta última provoca una variedad de fenómenos interesantes.

Por ejemplo, cuando se aplica un campo magnético perpendicular a un superconductor bidimensional en cero absoluto y creciente, se produce una transición de un superconductor con resistencia cero a un aislante con electrones localizados. Este fenómeno se llama transición de aislante superconductor inducida por un campo magnético y es un ejemplo típico de transición de fase cuántica.^[4] Causado por fluctuaciones cuánticas.

Figura 1. (Izquierda) En un campo magnético de mesoescala, las líneas de flujo magnético se abren paso en forma de defectos acompañados de remolinos de corrientes superconductoras. (Centro) Diagrama conceptual del estado de “fluctuación de superconductividad”, precursor de la superconductividad. Se forman regiones superconductoras similares a burbujas, espacialmente no uniformes y que varían en el tiempo. (Derecha) Diagrama esquemático de medición del efecto térmico. El movimiento de la línea de flujo magnético y las fluctuaciones de superconductividad generan un voltaje perpendicular al flujo de calor (gradiente de temperatura). Crédito: Koichiro Inaga

Sin embargo, desde la década de 1990 se sabe que para muestras con efectos de localización relativamente débiles, aparece un estado metálico anómalo en la región del campo magnético intermedio donde la resistencia eléctrica es varios órdenes de magnitud menor que el estado normal. Se cree que el origen de este estado metálico anómalo es un estado líquido, en el que las líneas de flujo magnético (Figura 1 izquierda) que penetran en el superconductor se mueven mediante fluctuaciones cuánticas.

Sin embargo, esta predicción no ha sido probada porque la mayoría de los experimentos anteriores con superconductores 2D utilizaron mediciones de resistencia eléctrica que examinan la respuesta del voltaje a la corriente, lo que dificulta distinguir entre las señales de voltaje que surgen del movimiento de las líneas de flujo magnético y las que surgen de la dispersión. de electrones con conducción normal.

Un equipo de investigación dirigido por el profesor asistente Koichiro Inaga y el profesor Satoshi Okuma del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de la Universidad Tecnológica de Tokio informó en Cartas de revisión física 2020 El movimiento cuántico de las líneas de flujo magnético se produce en un estado metálico anómalo mediante el efecto termoeléctrico, donde se genera un voltaje eléctrico con respecto al flujo de calor (gradiente de temperatura) en lugar de una corriente.

Sin embargo, para aclarar aún más el origen del estado metálico anómalo, es necesario dilucidar el mecanismo por el cual el estado superconductor es destruido por la fluctuación cuántica y las transiciones al estado normal (aislante). En este estudio, realizaron mediciones destinadas a detectar el estado de fluctuación de la superconductividad (centro de la Figura 1), un estado precursor de la superconductividad que se cree que existe en el estado natural.

Figura 2. La imagen completa de las fluctuaciones en la superconductividad se revela en un amplio rango de campos magnéticos y en una amplia gama de temperaturas, desde muy por encima de la temperatura de transición superconductora hasta tan solo 0,1 K. Se demostró por primera vez la existencia de una línea de intersección entre el calor (clásico) y las fluctuaciones cuánticas, y se descubrió que el punto crítico cuántico en el que esta línea alcanza el cero absoluto se encuentra dentro de la región metálica anómala. Crédito: Koichiro Inaga

Logros y técnicas de investigación.

En este estudio, molibdeno germanio (Mo_sCaramba_1-s) delgados Con estructura amorfa,^[5] Conocido como un superconductor bidimensional con una estructura uniforme y caótica, ha sido fabricado y utilizado. Tiene un espesor de 10 nanómetros (un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro) y promete tener efectos de fluctuación característicos de los sistemas 2D.

Dado que las señales de fluctuación no pueden detectarse mediante mediciones de resistencia eléctrica porque están enterradas en la señal de dispersión de electrones de conducción normal, realizamos mediciones del efecto termoeléctrico, que puede detectar dos tipos de fluctuaciones: (1) fluctuaciones de superconductividad (fluctuaciones en la capacitancia de superconductividad) y (2) Movimiento de la línea de flujo magnético (fluctuaciones en la fase superconductora).

Cuando se aplica una diferencia de temperatura en la dirección longitudinal de la muestra, las fluctuaciones de la superconductividad y el movimiento de las líneas de flujo magnético generan un voltaje en la dirección transversal. Por el contrario, el movimiento normal de los electrones genera voltaje principalmente en la dirección longitudinal. Especialmente en muestras como materiales amorfos, donde los electrones no se mueven fácilmente, el voltaje generado por los electrones en la dirección transversal es pequeño, por lo que la contribución de la fluctuación por sí sola puede detectarse selectivamente midiendo el voltaje transversal (Figura 1, derecha).

El efecto termoeléctrico se ha medido en una variedad de campos magnéticos y en una variedad de temperaturas que van desde muy por encima de la temperatura de transición de superconductividad de 2,4 kelvin (K) hasta tan solo 0,1 K (1/3000 de 300 K, ° Temperatura ambiente). , que está cerca del cero absoluto. Esto revela que las fluctuaciones de superconductividad permanecen presentes no sólo en la región líquida del flujo magnético (región de color rojo oscuro en la Figura 2), donde las fluctuaciones de la fase superconductora son más evidentes, sino también en una amplia región del campo magnético de temperatura más hacia afuera, que es Se considera la región del estado normal, donde se destruye la superconductividad (la región de alto campo magnético y alta temperatura por encima de la línea sólida convexa superior en la Figura 2). En particular, la línea de intersección entre las fluctuaciones térmicas (clásicas) y cuánticas se descubrió con éxito por primera vez (línea gruesa y continua en la Figura 2).

El valor del campo magnético cuando la línea de intersección alcanza el cero absoluto probablemente corresponde al punto crítico cuántico donde las fluctuaciones cuánticas son más fuertes, y ese punto (círculo blanco en la Figura 2) se encuentra claramente dentro del rango del campo magnético donde existe un estado metálico anómalo. Se observó en la resistencia eléctrica. Hasta ahora no se había detectado la existencia de este punto crítico cuántico mediante mediciones de resistencia eléctrica.

Este resultado revela que el estado metálico anómalo en el campo magnético en el cero absoluto en superconductores 2D, que lleva 30 años sin resolverse, surge de la existencia de un punto crítico cuántico. En otras palabras, el estado metálico anómalo es un estado fundamental cuántico crítico expandido para la transición de superconductor a aislante.

Ramificaciones

Las mediciones del efecto termoeléctrico obtenidas para superconductores amorfos convencionales pueden considerarse datos estándar para el efecto termoeléctrico en superconductores, porque capturan el efecto de las fluctuaciones en la superconductividad sin la contribución de electrones en estado normal. El efecto térmico es importante en términos de su aplicación a sistemas de refrigeración eléctricos, etc., y existe la necesidad de desarrollar materiales que exhiban un efecto térmico significativo a bajas temperaturas para extender las temperaturas máximas de enfriamiento. Se han informado efectos termoeléctricos inusualmente grandes a bajas temperaturas en algunos superconductores, y la comparación con los datos existentes puede proporcionar una pista sobre su origen.

Futuros desarrollos

Uno de los intereses académicos que se desarrollarán en este estudio es aclarar la predicción teórica de que en superconductores 2D con efectos de localización más fuertes que la presente muestra, las líneas de flujo magnético estarán en un estado de condensación cuántica6. En el futuro, planeamos publicar experimentos utilizando los métodos de este estudio para averiguarlo.

Los resultados de este estudio fueron publicados en línea en Comunicaciones de la naturaleza El 16 de marzo de 2024.

condiciones

1. Fluctuaciones en la superconductividad: La fuerza de la superconductividad no es uniforme y fluctúa en el tiempo y el espacio. Es normal que se produzcan fluctuaciones térmicas, pero cerca del cero absoluto se producen fluctuaciones cuánticas basadas en el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica.
2. Efecto térmico: Efecto del intercambio de energía térmica y eléctrica. Se genera un voltaje cuando se aplica una diferencia de temperatura, mientras que se produce una diferencia de temperatura cuando se aplica un voltaje. El primero se está estudiando para su uso como dispositivo de generación de energía y el segundo como dispositivo de refrigeración. En este estudio, se utilizó como forma de detectar fluctuaciones en la superconductividad.
3. Superconductividad 2D: Superconductor ultrafino. Cuando el espesor se vuelve menor que la distancia entre los pares de electrones responsables de la superconductividad, el efecto de las fluctuaciones de la superconductividad se vuelve más fuerte y las propiedades de los superconductores son completamente diferentes de las de los superconductores más gruesos.
4. Punto crítico cuántico, transición de fase cuántica: La transición de fase que ocurre en el cero absoluto cuando se cambia un parámetro como el campo magnético se llama transición de fase cuántica y se distingue de la transición de fase causada por un cambio de temperatura. El punto crítico cuántico es el punto de transición de fase donde tiene lugar la transición de fase cuántica.s Ocurren donde las fluctuaciones cuánticas son más fuertes.
5. Estructura amorfa: Estructura de la materia en la que los átomos están dispuestos de manera irregular y no tienen una estructura cristalina.
6. Estado cuántico condensado: Condición en la que una gran cantidad de partículas se encuentran en el estado de menor energía y se comportan como una única onda macroscópica. En la superconductividad, se condensan muchos pares de electrones. El helio líquido también se condensa cuando se enfría a 2,17 K, lo que da como resultado una fluidez superior sin pegajosidad.

Referencia: “Estado fundamental crítico cuántico extendido en una película delgada superconductora desordenada” por Koichiro Inaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami y Satoshi Okuma, 16 de marzo de 2024, Comunicaciones de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7