Avanço quântico revela a natureza oculta dos supercondutores

O efeito térmico revela o quadro completo das flutuações na supercondutividade.

Flutuações fracas na supercondutividade,^[1] O fenômeno da supercondutividade foi descoberto com sucesso por um grupo de pesquisa do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech). Este feito foi alcançado medindo o efeito térmico^[2] Em supercondutores, em uma ampla faixa de campos magnéticos e em uma ampla faixa de temperaturas, desde bem acima da temperatura de transição supercondutora até temperaturas muito baixas próximas Zero absoluto.

Isto revelou o quadro completo das flutuações na supercondutividade em relação à temperatura e ao campo magnético, e demonstrou a origem do estado metálico anômalo nos campos magnéticos, que tinha sido um problema não resolvido no campo da supercondutividade 2D.^[3] Por 30 anos, existe um ponto quântico crítico^[4] Onde as flutuações quânticas são mais fortes.

Compreendendo os supercondutores

Um supercondutor é um material no qual os elétrons se emparelham em baixas temperaturas, resultando em resistência elétrica zero. É usado como material para eletroímãs poderosos em ressonância magnética médica e outras aplicações. Eles também são cruciais como pequenos elementos lógicos em computadores quânticos que operam em baixas temperaturas, e há necessidade de elucidar as propriedades dos supercondutores de baixa temperatura quando são miniaturizados.

Supercondutores 2D atomicamente finos são fortemente afetados por flutuações e, portanto, exibem propriedades que diferem significativamente daquelas dos supercondutores mais espessos. Existem dois tipos de flutuações: térmica (clássica), que é mais pronunciada em altas temperaturas, e quântica, que é mais significativa em temperaturas muito baixas, esta última causando uma variedade de fenômenos interessantes.

Por exemplo, quando um campo magnético é aplicado perpendicularmente a um supercondutor bidimensional em zero absoluto e crescente, ocorre uma transição de um supercondutor com resistência zero para um isolante com elétrons localizados. Este fenômeno é chamado de transição de isolador supercondutor induzido por campo magnético e é um exemplo típico de transição de fase quântica.^[4] Causada por flutuações quânticas.

Figura 1. (Esquerda) Em um campo magnético de mesoescala, linhas de fluxo magnético rompem na forma de defeitos acompanhados por redemoinhos de correntes supercondutoras. (Centro) Diagrama conceitual do estado de “flutuação da supercondutividade”, um precursor da supercondutividade. Formam-se regiões supercondutoras semelhantes a bolhas, variantes no tempo, espacialmente não uniformes. (Direita) Diagrama esquemático da medição do efeito térmico. O movimento da linha de fluxo magnético e as flutuações de supercondutividade geram uma tensão perpendicular ao fluxo de calor (gradiente de temperatura). Crédito: Koichiro Inaga

No entanto, sabe-se desde a década de 1990 que, para amostras com efeitos de localização relativamente fracos, um estado metálico anômalo aparece na região intermediária do campo magnético, onde a resistência elétrica é várias ordens de grandeza inferior ao estado normal. Acredita-se que a origem deste estado metálico anômalo seja um estado semelhante a líquido, no qual as linhas de fluxo magnético (Figura 1 à esquerda) que penetram no supercondutor são movidas por flutuações quânticas.

No entanto, esta previsão não foi comprovada porque a maioria dos experimentos anteriores em supercondutores 2D usaram medições de resistência elétrica que examinam a resposta da tensão à corrente, tornando difícil distinguir entre os sinais de tensão decorrentes do movimento das linhas de fluxo magnético e aqueles decorrentes do espalhamento. de elétrons com condução normal.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Assistente Koichiro Inaga e pelo Professor Satoshi Okuma do Departamento de Física da Faculdade de Ciências da Tokyo Tech University relatou em Cartas de revisão física 2020 O movimento quântico das linhas de fluxo magnético ocorre em um estado metálico anômalo usando o efeito termoelétrico, onde uma tensão elétrica é gerada em relação ao fluxo de calor (gradiente de temperatura) em vez de uma corrente.

Porém, para esclarecer melhor a origem do estado metálico anômalo, é necessário elucidar o mecanismo pelo qual o estado supercondutor é destruído pela flutuação quântica e transições para o estado normal (isolante). Neste estudo, eles realizaram medições destinadas a detectar o estado de flutuação da supercondutividade (centro da Figura 1), um estado precursor da supercondutividade que se acredita existir no estado natural.

Figura 2. O quadro completo das flutuações na supercondutividade é revelado em uma ampla faixa de campo magnético e em uma ampla faixa de temperaturas, desde bem acima da temperatura de transição supercondutora até 0,1 K. A existência de uma linha de intersecção entre o calor (clássico) e as flutuações quânticas foi demonstrada pela primeira vez, e o ponto crítico quântico no qual esta linha atinge o zero absoluto foi encontrado dentro da região metálica anômala. Crédito: Koichiro Inaga

Realizações e técnicas de pesquisa

Neste estudo, molibdênio germânio (Mo_éNossa_1-é) afinaré Com estrutura amorfa,^[5] Conhecido como um supercondutor bidimensional com estrutura uniforme e caótica, tem sido fabricado e utilizado. Tem 10 nanômetros de espessura (um nanômetro equivale a um bilionésimo de metro) e promete ter efeitos de flutuação característicos de sistemas 2D.

Como os sinais de flutuação não podem ser detectados por medições de resistência elétrica porque estão enterrados no sinal de espalhamento de elétrons de condução normal, realizamos medições do efeito termoelétrico, que pode detectar dois tipos de flutuações: (1) flutuações de supercondutividade (flutuações na capacitância de supercondutividade) e (2) Movimento da linha de fluxo magnético (flutuações na fase supercondutora).

Quando uma diferença de temperatura é aplicada na direção longitudinal da amostra, as flutuações da supercondutividade e o movimento das linhas de fluxo magnético geram uma tensão na direção transversal. Em contraste, o movimento normal dos elétrons gera tensão principalmente na direção longitudinal. Especialmente em amostras como materiais amorfos, onde os elétrons não se movem facilmente, a tensão gerada pelos elétrons na direção transversal é pequena, de modo que a contribuição da flutuação por si só pode ser detectada seletivamente medindo a tensão transversal (Figura 1, à direita).

O efeito termoelétrico foi medido em uma variedade de campos magnéticos e em uma variedade de temperaturas que variam desde bem acima da temperatura de transição da supercondutividade de 2,4 Kelvin (K) até 0,1 K (1/3000 de 300 K, ° Temperatura ambiente) , que está próximo do zero absoluto. Isto revela que as flutuações da supercondutividade permanecem presentes não apenas na região líquida do fluxo magnético (região vermelha escura na Figura 2), onde as flutuações da fase supercondutora são mais evidentes, mas também numa ampla região do campo magnético de temperatura mais para fora, que é considerada a região do estado normal, onde a supercondutividade é destruída (a região de alto campo magnético e alta temperatura acima da linha sólida convexa superior na Figura 2). Notavelmente, a linha de intersecção entre as flutuações térmicas (clássicas) e quânticas foi descoberta com sucesso pela primeira vez (linha sólida espessa na Figura 2).

O valor do campo magnético quando a linha de intersecção atinge o zero absoluto provavelmente corresponde ao ponto crítico quântico onde as flutuações quânticas são mais fortes, e esse ponto (círculo branco na Figura 2) está claramente dentro da faixa do campo magnético onde existe um estado metálico anômalo. Foi observado na resistência elétrica. A existência deste ponto crítico quântico não foi detectada a partir de medições de resistência elétrica até agora.

Este resultado revela que o estado metálico anômalo no campo magnético no zero absoluto em supercondutores 2D, que permaneceu sem solução por 30 anos, surge da existência de um ponto crítico quântico. Em outras palavras, o estado metálico anômalo é um estado fundamental quântico crítico expandido para a transição de supercondutor para isolante.

Ramificações

As medições do efeito termoelétrico obtidas para supercondutores amorfos convencionais podem ser consideradas dados padrão para o efeito termoelétrico em supercondutores, porque capturam o efeito das flutuações na supercondutividade sem a contribuição de elétrons no estado normal. O efeito térmico é importante em termos da sua aplicação em sistemas de refrigeração eléctrica, etc., e existe a necessidade de desenvolver materiais que apresentem um efeito térmico significativo a baixas temperaturas para prolongar as temperaturas máximas de arrefecimento. Efeitos termoelétricos invulgarmente grandes a baixas temperaturas foram relatados em alguns supercondutores, e a comparação com os dados existentes pode fornecer uma pista sobre a sua origem.

Desenvolvimentos futuros

Um dos interesses acadêmicos a serem desenvolvidos neste estudo é esclarecer a previsão teórica de que em supercondutores 2D com efeitos de localização mais fortes que a presente amostra, as linhas de fluxo magnético estarão em um estado quântico condensado6. No futuro, planejamos publicar experimentos usando os métodos deste estudo para descobrir.

Os resultados deste estudo foram publicados online em Comunicações da Natureza Em 16 de março de 2024.

condições

1. Flutuações na supercondutividade: A força da supercondutividade não é uniforme e flutua no tempo e no espaço. É normal que ocorram flutuações térmicas, mas perto do zero absoluto, as flutuações quânticas ocorrem com base no princípio da incerteza da mecânica quântica.
2. Efeito térmico: Efeito da troca de energia térmica e elétrica. Uma tensão é gerada quando uma diferença de temperatura é aplicada, enquanto uma diferença de temperatura é produzida quando uma tensão é aplicada. O primeiro está sendo estudado para uso como dispositivo de geração de energia e o segundo como dispositivo de resfriamento. Neste estudo, foi utilizado como forma de detectar flutuações na supercondutividade.
3. Supercondutividade 2D: Supercondutor ultrafino. Quando a espessura se torna menor que a distância entre os pares de elétrons responsáveis ​​pela supercondutividade, o efeito das flutuações na supercondutividade torna-se mais forte e as propriedades dos supercondutores são completamente diferentes daquelas dos supercondutores mais espessos.
4. Ponto crítico quântico, transição de fase quântica: A transição de fase que ocorre no zero absoluto quando um parâmetro como o campo magnético é alterado é chamada de transição de fase quântica e se distingue da transição de fase causada por uma mudança de temperatura. O ponto crítico quântico é o ponto de transição de fase onde ocorre a transição de fase quânticaé Eles ocorrem onde as flutuações quânticas são mais fortes.
5. Estrutura amorfa: Estrutura da matéria na qual os átomos estão dispostos de maneira irregular e não possuem estrutura cristalina.
6. Estado quântico condensado: Uma condição na qual um grande número de partículas está no estado de energia mais baixo e se comporta como uma única onda macroscópica. Na supercondutividade, muitos pares de elétrons são condensados. O hélio líquido também condensa quando resfriado a 2,17 K, resultando em fluidez superior sem pegajosidade.

Referência: “Estado fundamental quântico crítico estendido em um filme fino supercondutor desordenado” por Koichiro Inaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami e Satoshi Okuma, 16 de março de 2024, Comunicações da Natureza.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7