Kuantum buluşu süperiletkenlerin gizli doğasını ortaya çıkarıyor

Termal etki, süperiletkenlikteki dalgalanmaların tam resmini ortaya koyuyor.

Süperiletkenlikte zayıf dalgalanmalar,^[1] Süperiletkenlik olgusu, Tokyo Teknoloji Enstitüsü'ndeki (Tokyo Tech) bir araştırma grubu tarafından başarıyla keşfedildi. Bu başarı termal etkinin ölçülmesiyle elde edildi^[2] Süperiletkenlerde geniş bir manyetik alan aralığında ve süperiletken geçiş sıcaklığının çok üstünden çok düşük sıcaklıklara kadar geniş bir sıcaklık aralığında Tamamen sıfır.

Bu, sıcaklık ve manyetik alana göre süperiletkenlikteki dalgalanmaların tam resmini ortaya çıkardı ve 2D süperiletkenlik alanında çözülmemiş bir sorun olan manyetik alanlardaki anormal metalik durumun kökenini gösterdi.^[3] 30 yıldır kritik bir kuantum noktası var^[4] Kuantum dalgalanmalarının en güçlü olduğu yer.

Süper iletkenleri anlamak

Süper iletken, elektronların düşük sıcaklıklarda eşleştiği ve sıfır elektrik direncine neden olduğu bir malzemedir. Tıbbi MRI ve diğer uygulamalarda güçlü elektromıknatısların malzemesi olarak kullanılır. Bunlar aynı zamanda düşük sıcaklıklarda çalışan kuantum bilgisayarlarda küçük mantık elemanları olarak da önemlidirler ve minyatürleştirildiklerinde düşük sıcaklıklı süper iletkenlerin özelliklerinin aydınlatılmasına ihtiyaç vardır.

Atomik olarak ince 2D süperiletkenler dalgalanmalardan güçlü bir şekilde etkilenir ve bu nedenle daha kalın süperiletkenlerden önemli ölçüde farklı özellikler sergiler. İki tür dalgalanma vardır: yüksek sıcaklıklarda daha belirgin olan termal (klasik) ve çok düşük sıcaklıklarda daha belirgin olan kuantum, ikincisi çeşitli ilginç olaylara neden olur.

Örneğin, iki boyutlu bir süperiletkene dik olarak mutlak sıfırda ve artan bir manyetik alan uygulandığında, sıfır dirençli bir süperiletkenden lokalize elektronlara sahip bir yalıtkanına geçiş meydana gelir. Bu olguya manyetik alan kaynaklı süperiletken yalıtkan geçişi adı verilir ve kuantum faz geçişinin tipik bir örneğidir.^[4] Kuantum dalgalanmalarından kaynaklanır.

Şekil 1. (Sol) Orta ölçekli bir manyetik alanda, manyetik akı çizgileri, süperiletken akım girdaplarının eşlik ettiği kusurlar şeklinde kırılır. (Merkez) Süperiletkenliğin öncüsü olan “süperiletkenlik dalgalanması” durumunun kavramsal diyagramı. Zamanla değişen, mekansal olarak tekdüze olmayan, kabarcık benzeri süper iletken bölgeler oluşur. (Sağ) Termal etki ölçümünün şematik diyagramı. Manyetik akı çizgisi hareketi ve süperiletkenlik dalgalanmaları, ısı akışına (sıcaklık gradyanı) dik bir voltaj üretir. Kredi bilgileri: Koichiro Inaga

Bununla birlikte, 1990'lardan bu yana, nispeten zayıf lokalizasyon etkilerine sahip numuneler için, elektrik direncinin normal durumdan birkaç kat daha düşük olduğu ara manyetik alan bölgesinde anormal bir metalik durumun ortaya çıktığı bilinmektedir. Bu anormal metalik durumun kökeninin, süperiletkene nüfuz eden manyetik akı çizgilerinin (soldaki Şekil 1) kuantum dalgalanmaları tarafından hareket ettirildiği sıvı benzeri bir durum olduğu düşünülmektedir.

Bununla birlikte, 2 boyutlu süperiletkenler üzerinde yapılan önceki deneylerin çoğunda, voltajın akıma tepkisini inceleyen elektriksel direnç ölçümleri kullanıldığı ve bu durum, manyetik akı hatlarının hareketinden kaynaklanan voltaj sinyalleri ile saçılmadan kaynaklanan voltaj sinyalleri arasında ayrım yapmayı zorlaştırdığı için bu tahmin kanıtlanamamıştır. Normal iletkenliğe sahip elektronların

Tokyo Tech Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü'nden Yardımcı Doçent Koichiro Inaga ve Profesör Satoshi Okuma liderliğindeki bir araştırma ekibi, şunları bildirdi: Fiziksel inceleme mektupları 2020 Manyetik akı çizgilerinin kuantum hareketi, termoelektrik etki kullanılarak anormal metalik bir durumda meydana gelir; burada bir akım yerine ısı akışına (sıcaklık gradyanı) göre bir elektrik voltajı üretilir.

Bununla birlikte, anormal metalik durumun kökenini daha da açıklığa kavuşturmak için, süperiletken durumun kuantum dalgalanması ve normal (yalıtım) duruma geçiş yoluyla yok edilmesini sağlayan mekanizmanın aydınlatılması gerekir. Bu çalışmada, doğal durumda var olduğu düşünülen süperiletkenliğin öncü durumu olan süperiletkenliğin dalgalanma durumunu (Şekil 1'in merkezi) tespit etmeyi amaçlayan ölçümler gerçekleştirdiler.

Şekil 2. Süperiletkenlikteki dalgalanmaların tam resmi, geniş bir manyetik alan aralığında ve süperiletken geçiş sıcaklığının çok üstünden 0,1 K kadar düşük bir sıcaklığa kadar geniş bir sıcaklık aralığında ortaya çıkar. Isı (klasik) ve kuantum dalgalanmaları arasında bir kesişme çizgisinin varlığı ilk kez gösterilmiş ve bu çizginin mutlak sıfıra ulaştığı kuantum kritik noktasının, anormal metalik bölge içerisinde yer aldığı bulunmuştur. Kredi bilgileri: Koichiro Inaga

Araştırma başarıları ve teknikleri

Bu çalışmada molibden germanyum (Mo_SVay be_1-S) inceS Amorf yapıya sahip,^[5] Düzgün ve kaotik bir yapıya sahip, iki boyutlu bir süperiletken olarak bilinen bu malzeme üretilmiş ve kullanılmıştır. 10 nanometre kalınlığındadır (bir nanometre metrenin milyarda biridir) ve 2 boyutlu sistemlere özgü dalgalanma etkilerine sahip olmayı vaat ediyor.

Dalgalanma sinyalleri, normal iletkenlik elektron saçılma sinyalinin içine gömüldükleri için elektriksel direnç ölçümleriyle tespit edilemediğinden, iki tür dalgalanmayı tespit edebilen termoelektrik etki ölçümleri yaptık: (1) süperiletkenlik dalgalanmaları (süperiletkenlik kapasitansındaki dalgalanmalar) ve (2) Manyetik akı çizgisinin hareketi (süper iletken fazdaki dalgalanmalar).

Numunenin uzunlamasına yönünde bir sıcaklık farkı uygulandığında, süperiletkenlikteki dalgalanmalar ve manyetik akı çizgilerinin hareketi, enine yönde bir voltaj üretir. Bunun aksine, normal elektron hareketi esas olarak uzunlamasına yönde voltaj üretir. Özellikle amorf malzemeler gibi elektronların kolayca hareket etmediği numunelerde, elektronların enine yönde ürettiği voltaj küçüktür, dolayısıyla dalgalanma katkısı tek başına enine voltajın ölçülmesiyle seçici olarak tespit edilebilir (Şekil 1, sağ).

Termoelektrik etki, çeşitli manyetik alanlarda ve 2,4 kelvin (K) süperiletkenlik geçiş sıcaklığının çok üstünden 0,1 K'ye (300 K'nin 1/3000'i, ° Oda sıcaklığı) kadar değişen çeşitli sıcaklıklarda ölçülmüştür. yani mutlak sıfıra yakındır. Bu, süperiletkenlik dalgalanmalarının yalnızca süperiletken faz dalgalanmalarının en belirgin olduğu manyetik akının sıvı bölgesinde (Şekil 2'deki koyu kırmızı bölge) değil, aynı zamanda sıcaklık manyetik alanının daha dışa doğru geniş bir bölgesinde de mevcut olduğunu ortaya koymaktadır. Süperiletkenliğin yok edildiği normal durum bölgesi (Şekil 2'deki üst dışbükey düz çizginin üzerindeki yüksek manyetik alan ve yüksek sıcaklık bölgesi) olarak kabul edilir. Özellikle termal (klasik) ve kuantum dalgalanmaları arasındaki kesişim çizgisi ilk kez başarıyla keşfedildi (Şekil 2'deki kalın düz çizgi).

Kesişme çizgisi mutlak sıfıra ulaştığında manyetik alanın değeri muhtemelen kuantum dalgalanmalarının en güçlü olduğu kuantum kritik noktasına karşılık gelir ve bu nokta (Şekil 2'deki beyaz daire) açıkça anormal bir metalik durumun var olduğu manyetik alan aralığı içinde yer alır. Elektrik direncinde gözlendi. Bu kuantum kritik noktanın varlığı şimdiye kadar elektriksel direnç ölçümlerinde tespit edilememişti.

Bu sonuç, 2 boyutlu süperiletkenlerde mutlak sıfırdaki manyetik alandaki 30 yıldır çözümsüz kalan anormal metalik durumun, kuantum kritik bir noktanın varlığından kaynaklandığını ortaya koymaktadır. Başka bir deyişle, anormal metalik durum, süperiletkenden yalıtkanlığa geçiş için genişletilmiş kuantum kritik temel durumdur.

Sonuçlar

Geleneksel amorf süperiletkenler için elde edilen termoelektrik etkinin ölçümleri, süperiletkenler üzerindeki termoelektrik etki için standart veriler olarak kabul edilebilir, çünkü normal durum elektronlarının katkısı olmadan süperiletkenlikteki dalgalanmaların etkisini yakalarlar. Termal etki, elektrikli soğutma sistemleri vb. uygulamalara uygulanması açısından önemlidir ve maksimum soğutma sıcaklıklarını genişletmek için düşük sıcaklıklarda önemli bir termal etki sergileyen malzemelerin geliştirilmesine ihtiyaç vardır. Bazı süperiletkenlerde düşük sıcaklıklarda alışılmadık derecede büyük termoelektrik etkiler rapor edilmiştir ve mevcut verilerle karşılaştırıldığında bunların kaynağına dair bir ipucu sağlanabilir.

Gelecekteki gelişmeler

Bu çalışmada geliştirilecek akademik ilgi alanlarından biri, mevcut örnekten daha güçlü yerelleştirme etkilerine sahip 2 boyutlu süperiletkenlerde, manyetik akı çizgilerinin kuantum yoğunlaştırılmış durumda olacağına dair teorik öngörüyü açıklığa kavuşturmaktır6. İleriye dönük olarak, bunu öğrenmek için bu çalışmanın yöntemlerini kullanarak deneyler yayınlamayı planlıyoruz.

Bu çalışmanın sonuçları çevrimiçi olarak yayınlandı. Doğa İletişimi 16 Mart 2024'te.

koşullar

1. Süperiletkenlikteki dalgalanmalar: Süperiletkenliğin gücü tekdüze değildir ve zamana ve mekana göre dalgalanır. Termal dalgalanmaların meydana gelmesi normaldir, ancak mutlak sıfıra yakın yerlerde, kuantum mekaniğinin belirsizlik ilkesine dayalı olarak kuantum dalgalanmaları meydana gelir.
2. Termal etki: Termal ve elektrik enerjisi değişiminin etkisi. Bir sıcaklık farkı uygulandığında bir voltaj üretilirken, bir voltaj uygulandığında bir sıcaklık farkı üretilir. Bunlardan ilkinin enerji üretim cihazı, ikincisinin ise soğutma cihazı olarak kullanılması üzerinde çalışılıyor. Bu çalışmada süperiletkenlikteki dalgalanmaları tespit etmenin bir yolu olarak kullanıldı.
3. 2D süperiletkenlik: Ultra ince süper iletken. Kalınlık, süperiletkenlikten sorumlu elektron çiftleri arasındaki mesafeden küçüldüğünde, süperiletkenlikteki dalgalanmaların etkisi güçlenir ve süperiletkenlerin özellikleri, daha kalın süperiletkenlerinkinden tamamen farklı olur.
4. Kuantum kritik noktası, kuantum faz geçişi: Manyetik alan gibi bir parametre değiştirildiğinde mutlak sıfırda meydana gelen faz geçişine kuantum faz geçişi denir ve sıcaklık değişiminin neden olduğu faz geçişinden ayrılır. Kuantum kritik noktası, kuantum faz geçişinin gerçekleştiği faz geçiş noktasıdırS Kuantum dalgalanmalarının en güçlü olduğu yerde meydana gelirler.
5. Amorf yapı: Atomların düzensiz bir şekilde düzenlendiği ve kristal yapıya sahip olmayan bir madde yapısı.
6. Yoğunlaştırılmış kuantum durumu: Çok sayıda parçacığın en düşük enerji durumunda olduğu ve tek bir makroskobik dalga gibi davrandığı bir durum. Süperiletkenlikte birçok elektron çifti yoğunlaşmıştır. Sıvı helyum ayrıca 2,17 K'ye soğutulduğunda yoğunlaşır, bu da yapışkanlık olmadan üstün akışkanlık sağlar.

Referans: Koichiro Inaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami ve Satoshi Okuma, 16 Mart 2024, “Düzensiz bir süper iletken ince filmde genişletilmiş kuantum kritik temel durumu”, Doğa İletişimi.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7