Terobosan kuantum mengungkap sifat tersembunyi superkonduktor

Efek termal mengungkapkan gambaran lengkap fluktuasi superkonduktivitas.

Fluktuasi superkonduktivitas yang lemah,^[1] Fenomena superkonduktivitas berhasil ditemukan oleh kelompok peneliti di Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech). Prestasi ini dicapai dengan mengukur efek termal^[2] Dalam superkonduktor pada rentang medan magnet yang luas dan rentang suhu yang luas, dari jauh di atas suhu transisi superkonduktor hingga suhu sangat rendah mendekati Nol mutlak.

Hal ini mengungkapkan gambaran lengkap fluktuasi superkonduktivitas sehubungan dengan suhu dan medan magnet, dan menunjukkan asal mula keadaan logam anomali dalam medan magnet, yang merupakan masalah yang belum terpecahkan di bidang superkonduktivitas 2D.^[3] Selama 30 tahun, ada titik kuantum kritis^[4] Dimana fluktuasi kuantum berada pada titik terkuatnya.

Memahami superkonduktor

Superkonduktor adalah bahan di mana elektron berpasangan pada suhu rendah, sehingga hambatan listriknya nol. Ini digunakan sebagai bahan elektromagnet kuat dalam MRI medis dan aplikasi lainnya. Mereka juga penting sebagai elemen logika kecil dalam komputer kuantum yang beroperasi pada suhu rendah, dan ada kebutuhan untuk menjelaskan sifat-sifat superkonduktor suhu rendah ketika mereka diminiaturisasi.

Superkonduktor 2D yang atomnya tipis sangat dipengaruhi oleh fluktuasi dan dengan demikian menunjukkan sifat yang berbeda secara signifikan dari superkonduktor yang lebih tebal. Ada dua jenis fluktuasi: termal (klasik), yang lebih terasa pada suhu tinggi, dan kuantum, yang lebih signifikan pada suhu sangat rendah, yang terakhir menyebabkan berbagai fenomena menarik.

Misalnya, ketika medan magnet diterapkan tegak lurus terhadap superkonduktor dua dimensi pada nol mutlak dan meningkat, terjadi transisi dari superkonduktor dengan resistansi nol ke isolator dengan elektron terlokalisasi. Fenomena ini disebut transisi isolator superkonduktor yang diinduksi medan magnet dan merupakan contoh khas transisi fase kuantum^[4] Disebabkan oleh fluktuasi kuantum.

Gambar 1. (Kiri) Dalam medan magnet skala meso, garis-garis fluks magnet menerobos dalam bentuk cacat disertai pusaran arus superkonduktor. (Tengah) Diagram konseptual keadaan “fluktuasi superkonduktivitas”, pendahulu superkonduktivitas. Daerah superkonduktor seperti gelembung yang bervariasi terhadap waktu, tidak seragam secara spasial, dan terbentuk. (Kanan) Diagram skema pengukuran efek termal. Gerakan garis fluks magnet dan fluktuasi superkonduktivitas menghasilkan tegangan yang tegak lurus terhadap aliran panas (gradien suhu). Kredit: Koichiro Inaga

Namun, telah diketahui sejak tahun 1990an bahwa untuk sampel dengan efek lokalisasi yang relatif lemah, keadaan logam yang tidak wajar muncul di wilayah medan magnet menengah di mana hambatan listrik beberapa kali lipat lebih rendah dari keadaan normal. Asal usul keadaan logam anomali ini dianggap sebagai keadaan seperti cairan, di mana garis fluks magnet (Gambar 1 kiri) yang menembus superkonduktor digerakkan oleh fluktuasi kuantum.

Namun prediksi tersebut belum terbukti karena sebagian besar percobaan superkonduktor 2D sebelumnya menggunakan pengukuran hambatan listrik yang menguji respon tegangan terhadap arus, sehingga sulit membedakan sinyal tegangan yang timbul dari pergerakan garis fluks magnet dan yang timbul dari hamburan. elektron dengan konduksi normal.

Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Asisten Profesor Koichiro Inaga dan Profesor Satoshi Okuma dari Departemen Fisika, Fakultas Sains, Universitas Teknologi Tokyo melaporkan pada Surat ulasan fisik 2020 Gerakan kuantum garis fluks magnet terjadi dalam keadaan logam anomali menggunakan efek termoelektrik, di mana tegangan listrik dihasilkan sehubungan dengan aliran panas (gradien suhu) dan bukan arus.

Namun, untuk lebih memperjelas asal mula keadaan logam anomali, perlu dijelaskan mekanisme dimana keadaan superkonduktor dihancurkan oleh fluktuasi kuantum dan transisi ke keadaan normal (isolasi). Dalam penelitian ini, mereka melakukan pengukuran yang bertujuan untuk mendeteksi keadaan fluktuasi superkonduktivitas (tengah Gambar 1), suatu keadaan pendahulu superkonduktivitas yang dianggap ada dalam keadaan alami.

Gambar 2. Gambaran lengkap fluktuasi superkonduktivitas terungkap pada rentang medan magnet yang luas dan rentang suhu yang luas, dari jauh di atas suhu transisi superkonduktor hingga serendah 0,1 K. Keberadaan garis perpotongan antara fluktuasi panas (klasik) dan kuantum ditunjukkan untuk pertama kalinya, dan titik kritis kuantum di mana garis ini mencapai nol mutlak ditemukan terletak di dalam wilayah logam anomali. Kredit: Koichiro Inaga

Prestasi dan teknik penelitian

Dalam penelitian ini, molibdenum germanium (Mo_SWah_1-S) tipisS Dengan struktur amorf,^[5] Dikenal sebagai superkonduktor dua dimensi dengan struktur seragam dan kacau, ia telah diproduksi dan digunakan. Tebalnya 10 nanometer (satu nanometer sama dengan sepersejuta meter), dan menjanjikan efek fluktuasi yang merupakan karakteristik sistem 2D.

Karena sinyal fluktuasi tidak dapat dideteksi dengan pengukuran hambatan listrik karena terkubur dalam sinyal hamburan elektron konduksi normal, kami melakukan pengukuran efek termoelektrik, yang dapat mendeteksi dua jenis fluktuasi: (1) fluktuasi superkonduktivitas (fluktuasi kapasitansi superkonduktivitas) dan ( 2) Pergerakan garis fluks magnet (fluktuasi fase superkonduktor).

Ketika perbedaan suhu diterapkan pada arah memanjang sampel, fluktuasi superkonduktivitas dan pergerakan garis fluks magnet menghasilkan tegangan dalam arah melintang. Sebaliknya, gerakan elektron normal menghasilkan tegangan terutama dalam arah memanjang. Khususnya pada sampel seperti bahan amorf, dimana elektron tidak mudah bergerak, tegangan yang dihasilkan oleh elektron pada arah transversal kecil, sehingga kontribusi fluktuasi saja dapat dideteksi secara selektif dengan mengukur tegangan transversal (Gambar 1, kanan).

Efek termoelektrik telah diukur dalam berbagai medan magnet dan pada berbagai suhu mulai dari jauh di atas suhu transisi superkonduktivitas sebesar 2,4 kelvin (K) hingga serendah 0,1 K (1/3000 dari 300 K, ° Suhu kamar) , yang mendekati nol mutlak. Hal ini mengungkapkan bahwa fluktuasi superkonduktivitas tetap ada tidak hanya di wilayah cair fluks magnet (wilayah merah tua pada Gambar 2), di mana fluktuasi fase superkonduktor paling jelas terlihat, namun juga di wilayah luas medan magnet suhu jauh ke arah luar. dianggap sebagai wilayah keadaan normal, di mana superkonduktivitas hancur (wilayah medan magnet tinggi dan suhu tinggi di atas garis padat cembung atas pada Gambar 2). Khususnya, garis perpotongan antara fluktuasi termal (klasik) dan kuantum berhasil ditemukan untuk pertama kalinya (garis padat tebal pada Gambar 2).

Nilai medan magnet ketika garis perpotongan mencapai nol mutlak kemungkinan besar berhubungan dengan titik kritis kuantum di mana fluktuasi kuantum paling kuat, dan titik tersebut (lingkaran putih pada Gambar 2) jelas terletak dalam rentang medan magnet di mana terdapat keadaan logam anomali. Hal ini diamati pada hambatan listrik. Keberadaan titik kritis kuantum ini hingga saat ini belum terdeteksi dari pengukuran hambatan listrik.

Hasil ini mengungkapkan bahwa keadaan logam anomali dalam medan magnet pada nol mutlak pada superkonduktor 2D, yang masih belum terselesaikan selama 30 tahun, muncul dari adanya titik kritis kuantum. Dengan kata lain, keadaan logam anomali adalah keadaan dasar kritis kuantum yang diperluas untuk transisi dari superkonduktor ke isolator.

Akibat

Pengukuran efek termoelektrik yang diperoleh untuk superkonduktor amorf konvensional dapat dianggap sebagai data standar untuk efek termoelektrik pada superkonduktor, karena pengukuran tersebut menangkap efek fluktuasi superkonduktivitas tanpa kontribusi elektron dalam keadaan normal. Efek termal penting dalam penerapannya pada sistem pendingin listrik, dll., dan ada kebutuhan untuk mengembangkan bahan yang menunjukkan efek termal signifikan pada suhu rendah untuk memperpanjang suhu pendinginan maksimum. Efek termoelektrik yang sangat besar pada suhu rendah telah dilaporkan pada beberapa superkonduktor, dan perbandingan dengan data yang ada dapat memberikan petunjuk mengenai sumbernya.

Perkembangan di masa depan

Salah satu kepentingan akademis yang ingin dikembangkan dalam penelitian ini adalah untuk memperjelas prediksi teoretis bahwa pada superkonduktor 2D dengan efek lokalisasi yang lebih kuat daripada sampel saat ini, garis fluks magnet akan berada dalam keadaan terkondensasi kuantum6. Kedepannya, kami berencana untuk mempublikasikan eksperimen menggunakan metode penelitian ini untuk mengetahuinya.

Hasil penelitian ini dipublikasikan secara online di Komunikasi Alam Pada tanggal 16 Maret 2024.

kondisi

1. Fluktuasi superkonduktivitas: Kekuatan superkonduktivitas tidak seragam dan berfluktuasi dalam ruang dan waktu. Fluktuasi termal yang terjadi adalah hal yang wajar, namun mendekati nol mutlak, fluktuasi kuantum terjadi berdasarkan prinsip ketidakpastian mekanika kuantum.
2. Efek termal: Pengaruh pertukaran energi panas dan listrik. Tegangan dihasilkan ketika perbedaan suhu diterapkan, sedangkan perbedaan suhu dihasilkan ketika tegangan diterapkan. Yang pertama sedang dipelajari untuk digunakan sebagai perangkat pembangkit listrik dan yang terakhir sebagai perangkat pendingin. Dalam penelitian ini, digunakan sebagai cara untuk mendeteksi fluktuasi superkonduktivitas.
3. Superkonduktivitas 2D: Superkonduktor ultra-tipis. Ketika ketebalan menjadi lebih kecil dari jarak antara pasangan elektron yang menyebabkan superkonduktivitas, efek fluktuasi superkonduktivitas menjadi lebih kuat, dan sifat superkonduktor benar-benar berbeda dari superkonduktor yang lebih tebal.
4. Titik kritis kuantum, transisi fase kuantum: Transisi fase yang terjadi pada nol mutlak ketika parameter seperti medan magnet diubah disebut transisi fase kuantum, dan dibedakan dari transisi fase yang disebabkan oleh perubahan suhu. Titik kritis kuantum adalah titik transisi fase tempat berlangsungnya transisi fase kuantumS Mereka terjadi di tempat fluktuasi kuantum paling kuat.
5. Struktur amorf: Suatu struktur materi yang atom-atomnya tersusun tidak beraturan dan tidak mempunyai struktur kristal.
6. Keadaan kuantum terkondensasi: Suatu kondisi di mana sejumlah besar partikel berada pada tingkat energi terendah dan berperilaku sebagai gelombang makroskopis tunggal. Dalam superkonduktivitas, banyak pasangan elektron yang terkondensasi. Helium cair juga mengembun ketika didinginkan hingga 2,17 K, menghasilkan fluiditas yang unggul tanpa rasa lengket.

Referensi: “Keadaan dasar kritis kuantum yang diperluas dalam film tipis superkonduktor yang tidak teratur” oleh Koichiro Inaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami, dan Satoshi Okuma, 16 Maret 2024, Komunikasi Alam.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7