Podważanie obecnych teorii nadprzewodnictwa – „nagła śmierć” fluktuacji kwantowych zdumiewa naukowców

Nowe badania podważają konwencjonalny pogląd na temat nadprzewodzących przejść kwantowych.

Fizycy z Uniwersytetu Princeton odkryli zaskakującą zmianę w zachowaniu kwantów podczas eksperymentów z tripletemkukurydza– Cienki izolator, który można łatwo przekształcić w nadprzewodnik.

Badania mają nadzieję pogłębić naszą wiedzę na temat fizyki kwantowej ciał stałych w ogóle, a także popchnąć badania nad kwantową fizyką materii skondensowanej i nadprzewodnictwem w potencjalnie nowych kierunkach. Wyniki opublikowano niedawno w czasopiśmie naukowym Fizyka przyrody.

Naukowcy pod kierownictwem Sanfenga Wu, adiunkta fizyki na Uniwersytecie Princeton, odkryli, że nagłe zatrzymanie (lub „śmierć”) fluktuacji mechaniki kwantowej wykazuje szereg unikalnych zachowań i właściwości kwantowych, które wydają się wykraczać poza zakres ustalonych teorie. .

Fluktuacje to tymczasowe, losowe zmiany stanu termodynamicznego substancji, która wkrótce przejdzie przemianę fazową. Znanym przykładem przejścia fazowego jest topienie lodu w wodę. W eksperymencie Princeton badano fluktuacje zachodzące w nadprzewodniku w temperaturach bliskich… Zero absolutne.

„To, co odkryliśmy, patrząc bezpośrednio na fluktuacje kwantowe w pobliżu przejścia, było wyraźnym dowodem na nowe kwantowe przejście fazowe, które narusza standardowe opisy teoretyczne znane w tej dziedzinie” – powiedział Wu. „Kiedy zrozumiemy to zjawisko, wierzymy, że istnieje prawdziwy potencjał wyłonienia się nowej, ekscytującej teorii”.

Fazy ​​kwantowe i nadprzewodnictwo

W świecie fizycznym przejścia fazowe zachodzą, gdy substancja taka jak ciecz, gaz lub ciało stałe zmienia się z jednego stanu lub formy w inny. Ale przejścia fazowe zachodzą również na poziomie kwantowym. Występują one w temperaturach bliskich zera absolutnego (-273,15 stopnia). Celsjusz), co polega na ciągłym dostosowywaniu jakiegoś czynnika zewnętrznego, takiego jak ciśnienie czy pole magnetyczne, bez podnoszenia temperatury.

Naukowcy są szczególnie zainteresowani tym, jak zachodzą kwantowe przejścia fazowe w nadprzewodnikach, materiałach przewodzących prąd bez oporu. Nadprzewodniki mogą przyspieszyć proces informacji i stanowić podstawę potężnych magnesów stosowanych w opiece zdrowotnej i transporcie.

„Jak zmienić jedną fazę nadprzewodzącą w drugą, to interesujący obszar badań” – powiedział Wu. „Od jakiegoś czasu interesujemy się tym problemem w przypadku cienkich, czystych, monokrystalicznych materiałów”.

Zespół fizyków z Princeton pod przewodnictwem (od lewej) profesora Sanfenga Wu, profesora Nai-Fuan Onga i kolegi Dickeya, Tianxinga Songa, są autorami nowego badania, które podważa konwencjonalną wiedzę na temat nadprzewodzących przejść kwantowych. Źródło: Yanyu Jia

Nadprzewodnictwo występuje, gdy elektrony łączą się w pary i płyną zgodnie, bez oporu i bez rozpraszania energii. Zwykle elektrony przemieszczają się przez obwody i przewody w nieregularny sposób, zderzając się ze sobą w ostatecznie nieefektywny sposób, który powoduje marnowanie energii. Ale w nadprzewodnictwie elektrony współpracują ze sobą w sposób energooszczędny.

Nadprzewodnictwo jest znane od 1911 r., chociaż jak i dlaczego działa, pozostawało w dużej mierze tajemnicą aż do 1956 r., kiedy mechanika kwantowa zaczęła rzucać światło na to zjawisko. Jednak nadprzewodnictwo badano dopiero mniej więcej od ostatniej dekady w czystych, atomowo cienkich, dwuwymiarowych materiałach. W rzeczywistości nadprzewodnictwo od dawna uważano za niemożliwe w świecie 2D.

powiedział N „Stało się tak, ponieważ kiedy przechodzisz do niższych wymiarów, fluktuacje stają się tak silne, że „zabijają” jakąkolwiek możliwość nadprzewodnictwa” – powiedział Fuan Ong, profesor fizyki na Uniwersytecie Eugene Huygens. Uniwersytet Princeton I autor artykułu.

Głównym sposobem, w jaki fluktuacje niszczą nadprzewodnictwo 2D, jest spontaniczne pojawianie się tak zwanych wirów kwantowych (liczba mnoga: wiry). Każdy wir przypomina mały wir składający się z mikroskopijnego paska pola magnetycznego uwięzionego w poruszającym się strumieniu elektronów. Gdy próbkę podniesie się powyżej określonej temperatury, wiry spontanicznie pojawiają się parami: wiry i antywiry. Ich szybki ruch niszczy stan nadprzewodzący. „Wir jest jak wir” – powiedział Ong. „Są to kwantowe wersje wiru, który pojawia się, gdy opróżniasz wannę”.

Fizycy wiedzą teraz, że nadprzewodnictwo w ultracienkich warstwach w rzeczywistości istnieje poniżej pewnej temperatury krytycznej znanej jako przejście BKT, nazwanej na cześć fizyków materii skondensowanej Vadima Berezinsky'ego, Johna Kosterlitza i Davida Thewlisa. Dwóch ostatnich podzieliło się Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2016 z fizykiem F. Duncan Haldane, profesor fizyki na Uniwersytecie Shermana Fairchilda. Teoria BKT jest powszechnie postrzegana jako udany opis tego, jak wiry kwantowe w nadprzewodnikach 2D mogą się namnażać i niszczyć nadprzewodnictwo. Teoria ma zastosowanie, gdy przejście nadprzewodnictwa jest indukowane przez ogrzewanie próbki.

Aktualne doświadczenie

Pytanie, jak zniszczyć nadprzewodnictwo 2D bez podnoszenia temperatury, jest obszarem aktywnych badań w dziedzinie nadprzewodnictwa i przejść fazowych. W temperaturach bliskich zera absolutnego przełączanie kwantowe następuje poprzez fluktuacje kwantowe. W tym scenariuszu przejście różni się od przejścia BKT wywołanego temperaturą.

Naukowcy rozpoczęli od ogromnego kryształu ditelluru wolframu (WTe₂), który zaliczany jest do półmetalu warstwowego. Naukowcy rozpoczęli od przekształcenia ditelluru wolframu w materiał 2D poprzez stopniowe złuszczanie materiału do warstwy o grubości jednego atomu. Na tym poziomie cienkości materiał zachowuje się jak bardzo mocny izolator, co oznacza, że ​​jego elektrony mają ograniczoną ruchliwość i dlatego nie mogą przewodzić prądu. Co zaskakujące, naukowcy odkryli, że materiał wykazuje szereg nowych zachowań kwantowych, takich jak przełączanie między fazą izolującą i nadprzewodzącą. Udało im się kontrolować to zachowanie podczas przełączania, budując urządzenie, które działało jak przełącznik „włącz/wyłącz”.

Ale to był dopiero pierwszy krok. Następnie badacze poddali materiał dwóm ważnym warunkom. Pierwszą rzeczą, którą zrobili, było ochłodzenie ditelluku wolframu do wyjątkowo niskiej temperatury, około 50 milikelwinów (mK).

Pięćdziesiąt milikelwinów to -273,10 stopnia Celsjusza (lub -459,58 stopnia) F), czyli niewiarygodnie niską temperaturę, w której dominują efekty mechaniki kwantowej.

Następnie badacze przekształcili materiał z izolatora w nadprzewodnik, wprowadzając do materiału dodatkowe elektrony. Osiągnięcie stanu nadprzewodzącego nie wymagało dużego wysiłku. „Wystarczy niewielka ilość napięcia bramki może zmienić materiał z izolatora w nadprzewodnik” – powiedział Tianqing Song, badacz z tytułem doktora w dziedzinie fizyki i główny autor badania. „To naprawdę fajny efekt”.

Naukowcy odkryli, że mogą precyzyjnie kontrolować właściwości nadprzewodnictwa, regulując gęstość elektronów w materiale za pomocą napięcia bramki. Przy krytycznej gęstości elektronów wiry kwantowe szybko się rozmnażają i niszczą nadprzewodnictwo, wywołując kwantowe przejście fazowe.

Aby wykryć obecność tych wirów kwantowych, badacze stworzyli niewielki gradient temperatury w próbce, dzięki czemu jedna strona ditelluru wolframu jest nieco cieplejsza od drugiej. „Wiry szukają chłodniejszej krawędzi” – powiedział Ong. „W gradiencie termicznym wszystkie wiry w próbce dryfują do chłodniejszej części, więc powstała rzeka wirów, która przepływa od cieplejszej części do chłodniejszej”.

Przepływ wirowy generuje wykrywalny sygnał napięciowy w nadprzewodniku. Dzieje się tak dzięki efektowi nazwanemu na cześć laureata Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki Briana Josephsona, którego teoria przewiduje, że gdy strumień wirów przecina linię narysowaną pomiędzy dwoma przewodnikami elektrycznymi, generuje słabe napięcie poprzeczne, które można wykryć za pomocą nanowoltów. metr.

„Możemy sprawdzić, czy jest to efekt Josephsona; „Jeśli odwrócimy pole magnetyczne, wykryte napięcie ulegnie odwróceniu” – powiedział Ong.

„To bardzo specyficzna sygnatura prądu wirowego” – dodał Wu. „Bezpośrednie wykrycie tych poruszających się wirów daje nam eksperymentalne narzędzie do pomiaru fluktuacji kwantowych w próbce, co jest trudne do osiągnięcia w inny sposób”.

Niesamowite zjawiska kwantowe

Gdy naukowcom udało się zmierzyć te fluktuacje kwantowe, odkryli szereg nieoczekiwanych zjawisk. Pierwszym zaskoczeniem była niesamowita siła wirów. Eksperyment wykazał, że wiry te utrzymują się w temperaturach i polach magnetycznych znacznie wyższych niż oczekiwano. Przetrwają w temperaturach i zakresach znacznie wyższych niż faza nadprzewodząca, rezystancyjna faza materii.

Drugą dużą niespodzianką jest to, że sygnał wirowy nagle zanikł, gdy gęstość elektronów została ustawiona poniżej wartości krytycznej, przy której następuje kwantowe przejście fazowe stanu nadprzewodzącego. Przy tej krytycznej wartości gęstości elektronów, którą badacze nazywają kwantowym punktem krytycznym (QCP), który reprezentuje punkt w temperaturze zerowej na diagramie fazowym, fluktuacje kwantowe napędzają przejście fazowe.

„Spodziewaliśmy się utrzymujących się silnych wahań poniżej krytycznej gęstości elektronów po stronie nieprzewodzącej, podobnie jak silne wahania obserwowane znacznie powyżej temperatury przejścia BKT” – powiedział Wu. „Odkryliśmy jednak, że sygnały wirowe znikają «nagle» w momencie przekroczenia krytycznej gęstości elektronów. To był szok. W ogóle nie potrafimy wyjaśnić tej obserwacji – «nagłej śmierci» fluktuacji.”

„Innymi słowy, odkryliśmy nowy typ kwantowego punktu krytycznego, ale go nie rozumiemy” – dodał Ong.

W dziedzinie fizyki materii skondensowanej istnieją obecnie dwie ugruntowane teorie wyjaśniające przejścia fazowe w nadprzewodnikach, teoria Ginzburga-Landaua i teoria BKT. Naukowcy odkryli jednak, że żadna z tych teorii nie wyjaśnia obserwowanych zjawisk.

„Potrzebujemy nowej teorii, aby opisać, co dzieje się w tym przypadku, i mamy nadzieję zająć się tym w przyszłych pracach, zarówno teoretycznych, jak i eksperymentalnych” – powiedział Wu.

Odniesienie: „Niekonwencjonalna nadprzewodząca krytyczność kwantowa w monowarstwie WTe2” autorstwa Tianqing Song, Yanyu Jia, Gu Yu, Yue Tang, Pengjie Wang, Ratnadwip Singha, Shen Gui i Ayelet J. Ozan Narovlanski, Michael Oniszak, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi i Robert. J. Cava, Leslie M. Shoup, N. B. Ong i Sunfeng Wu, 5 stycznia 2024 r., Fizyka przyrody.
doi: 10.1038/s41567-023-02291-1

Praca ta była wspierana przez Biuro Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych w postaci nagrody dla młodych badaczy (N00014-21-1-2804), Narodowej Fundacji Nauki w ramach programu Centrum Badań i Inżynierii Materiałów (DMR-2011750) oraz nagrody kariery (DMR-1942942), Biuro Sił Powietrznych Programu Badań Naukowych Młodych Uczonych (FA9550-23-1-0140), Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DE-SC0017863), Fundacja Gordona i Betty Moore w ramach grantów GBMF9064 i GBMF9466, Eric i Wendy Schmitt Fund for Transformative Technology w Princeton, Princeton Dickey Fellowship Program of Physics, Fundacja Rothschilda, Fundacja Zuckermana, Fundacja Davida i Lucile Packardów oraz Fundacja Sloana.