В двумерных сверхпроводниках открыта незаметная квантовая критическая точка

Слабые флуктуации в сверхпроводимости, явление, предшествующее сверхпроводимости, успешно обнаружила исследовательская группа Токийского технологического института.

Этого прорыва удалось достичь путем измерения термоэлектрического эффекта в сверхпроводниках в широком диапазоне магнитных полей и в широком диапазоне температур — от гораздо более высоких, чем температура сверхпроводящего перехода, до очень низких, близких к абсолютному нулю. Все это позволило выявить полную картину флуктуаций сверхпроводимости в зависимости от температуры и магнитного поля и продемонстрировать, что происхождение аномального металлического состояния в магнитных полях, которое уже 30 лет остается нерешенной проблемой в области двумерной сверхпроводимости, заключается в существовании квантовой критической точки, где квантовые флуктуации наиболее сильны.

История вопроса

Сверхпроводник — это материал, в котором электроны объединяются в пары при низких температурах, что приводит к нулевому электрическому сопротивлению. Он используется в качестве материала для мощных электромагнитов в медицинской магнитно-резонансной томографии и других приложениях. Кроме того, они играют важную роль в качестве крошечных логических элементов в квантовых компьютерах, работающих при криогенных температурах, поэтому необходимо выяснить свойства сверхпроводников при криогенных температурах, когда они становятся микроминиатюрными.

Атомарно тонкие двумерные сверхпроводники подвержены сильному влиянию флуктуаций 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, которые более важны при очень низких температурах, и последние вызывают целый ряд интересных явлений. Например, когда магнитное поле прикладывается перпендикулярно двумерному сверхпроводнику при абсолютном нуле и увеличивается, происходит переход от сверхпроводимости с нулевым сопротивлением к изолятору с локализованными электронами.

Это явление называется индуцированным магнитным полем переходом сверхпроводник-изолятор и является типичным примером квантового фазового перехода, вызванного квантовыми флуктуациями. Однако с 1990-х годов было известно, что для образцов с относительно слабыми эффектами локализации в области промежуточного магнитного поля возникает аномальное металлическое состояние, в котором электрическое сопротивление на несколько порядков ниже, чем в нормальном состоянии. Считается, что причиной возникновения этого аномального металлического состояния является жидкоподобное состояние, в котором линии магнитного потока, проникающие в сверхпроводник, движутся под действием квантовых флуктуаций. Однако это предсказание не было подтверждено, поскольку в большинстве предыдущих экспериментов с двумерными сверхпроводниками использовались измерения электрического сопротивления, которые изучали реакцию напряжения на ток, что затрудняло проведение различия между сигналами напряжения, возникающими из-за движения линий магнитного потока, и сигналами, возникающими из-за рассеяния нормально проводящих электронов.

Исследовательская группа под руководством доцента Коичиро Иенага и профессора Сатоси Окума с факультета физики Научной школы Токийского технологического института в 2020 году в журнале Physical Review Letters сообщила, что квантовое движение линий магнитного потока происходит в аномальном металлическом состоянии за счет термоэлектрического эффекта, при котором напряжение генерируется не за счет тока, а за счет теплового потока (градиента температуры). Однако для дальнейшего выяснения происхождения аномального металлического состояния необходимо выяснить механизм, с помощью которого сверхпроводящее состояние разрушается под действием квантовых флуктуаций и переходит в обычное (изолирующее) состояние. В данной работе были проведены измерения, направленные на обнаружение сверхпроводящего флуктуационного состояния, которое является состоянием-предшественником сверхпроводимости и, как считается, существует в нормальном состоянии.

Результаты исследования

В данном исследовании были изготовлены и использованы тонкие пленки молибден-германия (MoxGe1-x) с аморфной структурой5, известные как двумерные сверхпроводники с однородной структурой и беспорядком. Ее толщина составляет 10 нанометров (один нанометр — одна миллиардная часть метра), и она обещает обладать флуктуационными эффектами, характерными для двумерных систем. Поскольку флуктуационные сигналы не могут быть обнаружены с помощью измерений электрического сопротивления, поскольку они погребены в сигнале нормально проводящего рассеяния электронов, мы провели измерения термоэлектрического эффекта, который позволяет обнаружить два типа флуктуаций: сверхпроводящие флуктуации (флуктуации амплитуды сверхпроводимости) и движение линии магнитного потока (флуктуации фазы сверхпроводимости). Когда в продольном направлении образца прикладывается разность температур, сверхпроводящие флуктуации и движение линий магнитного потока генерируют напряжение в поперечном направлении. В отличие от этого, обычное движение электронов генерирует напряжение преимущественно в продольном направлении. Особенно в таких образцах, как аморфные материалы, где электроны перемещаются с трудом, напряжение, генерируемое электронами в поперечном направлении, пренебрежимо мало, поэтому один только флуктуационный вклад может быть селективно обнаружен путем измерения поперечного напряжения.

Термоэлектрический эффект измерялся в различных магнитных полях и при различных температурах — от гораздо более высокой, чем температура сверхпроводящего перехода 2,4 К (Кельвин), до очень низкой 0,1 К (1/3000 от 300 К, комнатной температуры), близкой к абсолютному нулю. Это показывает, что сверхпроводящие флуктуации сохраняются не только в жидкой области магнитного потока, где флуктуации сверхпроводящей фазы более выражены, но и в широкой области температуры и магнитного поля, которая считается областью нормального состояния, где сверхпроводимость разрушается. Примечательно, что впервые была успешно обнаружена линия пересечения тепловых (классических) и квантовых флуктуаций. Значение магнитного поля, при котором линия пересечения 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 из измерений электросопротивления. Этот результат показывает, что аномальное металлическое состояние в магнитном поле при абсолютном нуле в двумерных сверхпроводниках, которое оставалось неразрешенным в течение 30 лет, возникает из-за существования квантовой критической точки. Другими словами, аномальное металлическое состояние является расширенным квантовым критическим основным состоянием для перехода сверхпроводник — изолятор.

Социальное влияние

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 нормального состояния. Термоэлектрический эффект важен с точки зрения его применения в системах электрического охлаждения и т.д., и существует необходимость в разработке материалов, проявляющих большой термоэлектрический эффект при низких температурах, чтобы расширить предел температур охлаждения. Аномально большие термоэлектрические эффекты были зарегистрированы при низких температурах в некоторых сверхпроводниках, и сравнение с настоящими данными может дать ключ к разгадке их происхождения.

Будущее развитие

Научный интерес, который будет развиваться в рамках данного исследования, заключается в демонстрации теоретического предсказания о том, что в двумерных сверхпроводниках с более сильными эффектами локализации, чем в данном образце, линии магнитного потока будут находиться в квантово-конденсированном состоянии6. В дальнейшем мы планируем развернуть эксперименты с использованием методов данного исследования с целью их обнаружения.

Результаты этого исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

22.03.2024