«Внезапная смерть» квантовых флуктуаций бросает вызов современным теориям сверхпроводимости

Физики из Принстонского университета обнаружили удивительное изменение в квантовом поведении, экспериментируя с изолятором толщиной в три атома, который можно легко превратить в сверхпроводник.

Исследование обещает улучшить наше понимание квантовой физики твердых тел в целом, а также подтолкнуть изучение квантовой физики конденсированного состояния и сверхпроводимости в потенциально новых направлениях. тот Результаты Оно было опубликовано в журнале Физика природы В статье «Нетрадиционная сверхпроводящая квантовая критичность в монослое WTe₂«.

Исследователи во главе с Санфэн Ву, доцентом физики Принстонского университета, обнаружили, что внезапная остановка (или «смерть») квантово-механических флуктуаций демонстрирует ряд уникальных квантовых поведений и свойств, которые, по-видимому, выходят за рамки установленных теории. .

Флуктуации — это временные случайные изменения термодинамического состояния вещества, которое вот-вот претерпит фазовый переход. Известный пример фазового перехода — плавление льда в воду. Принстонский эксперимент исследовал флуктуации, возникающие в сверхпроводнике при температурах, близких к абсолютному нулю.

«То, что мы обнаружили, глядя непосредственно на квантовые флуктуации вблизи перехода, было явным свидетельством нового квантового фазового перехода, который нарушает стандартные теоретические описания, известные в этой области», — сказал Ву. «Как только мы поймем этот феномен, мы считаем, что существует реальный потенциал для появления новой и захватывающей теории».

Квантовые фазы и сверхпроводимость

В физическом мире фазовые переходы происходят, когда вещество, такое как жидкость, газ или твердое тело, переходит из одного состояния или формы в другое. Но фазовые переходы происходят и на квантовом уровне. Эти изменения происходят при температурах, приближающихся к абсолютному нулю (-273,15°C), и предполагают постоянную корректировку какого-либо внешнего фактора, например давления или магнитного поля, без повышения температуры.

Исследователей особенно интересует, как происходят квантовые фазовые переходы в сверхпроводниках — материалах, проводящих электричество без сопротивления. Сверхпроводники могут ускорить процесс передачи информации и составить основу мощных магнитов, используемых в здравоохранении и на транспорте.

«Как одна сверхпроводящая фаза может быть заменена другой — это интересная область исследования», — сказал Ву. «Некоторое время мы интересовались этой проблемой тонких, чистых, монокристаллических материалов».

Сверхпроводимость возникает, когда электроны объединяются в пары и текут синхронно, без сопротивления и без рассеивания энергии. Обычно электроны перемещаются по цепям и проводам неравномерно, сталкиваясь друг с другом совершенно неэффективным образом, что приводит к потере энергии. Но в сверхпроводимости электроны работают согласованно и энергоэффективно.

Сверхпроводимость известна с 1911 года, хотя то, как и почему она работает, оставалось во многом загадкой до 1956 года, когда квантовая механика начала проливать свет на это явление. Но сверхпроводимость изучалась только в последнее десятилетие или около того в чистых, атомарно тонких, двумерных материалах. На самом деле долгое время считалось, что сверхпроводимость невозможна в двумерном мире.

Н сказал «Это произошло потому, что когда вы переходите в более низкие измерения, флуктуации становятся настолько сильными, что уничтожают любую возможность сверхпроводимости», — сказал Фуан Онг, профессор физики Принстонского университета и автор статьи.

Основным способом разрушения двумерной сверхпроводимости флуктуациями является спонтанное появление так называемых квантовых вихрей (множественное число: вихри).

Каждый вихрь напоминает небольшой вихрь, состоящий из микроскопической полоски магнитного поля, запертой внутри движущегося потока электронов. При повышении температуры образца выше определенной температуры вихри самопроизвольно возникают парами: вихри и антивихри. Их быстрое движение разрушает сверхпроводящее состояние.

«Вихрь похож на водоворот», — сказал Онг. «Это квантовые версии воронки, которая появляется, когда вы сливаете воду из ванны».

Физики теперь знают, что сверхпроводимость в сверхтонких пленках на самом деле существует ниже определенной критической температуры, известной как переход БКТ, названный в честь физиков конденсированного состояния Вадима Березинского, Джона Костерлица и Дэвида Тьюлиса. Последние двое разделили Нобелевскую премию по физике 2016 года с физиком Ф. Дункан Холдейн, профессор физики Университета Шермана Фэйрчайлда.

Теория БКТ широко рассматривается как успешное описание того, как квантовые вихри в двумерных сверхпроводниках могут размножаться и разрушать сверхпроводимость. Теория применима, когда переход в сверхпроводимость вызван нагревом образца.

Текущий опыт

Вопрос о том, как разрушить 2D-сверхпроводимость без повышения температуры, является областью активных исследований в области сверхпроводимости и фазовых переходов. При температурах, близких к абсолютному нулю, квантовое переключение происходит посредством квантовых флуктуаций. В этом сценарии переход отличается от температурно-индуцированного перехода БКТ.

Исследователи начали с огромного кристалла дителлурида вольфрама (WTe₂), который классифицируется как слоистый полуметалл. Исследователи начали с преобразования дителлурида вольфрама в двумерный материал, постепенно удаляя материал до слоя толщиной в один атом.

На этом уровне толщины материал ведет себя как очень прочный изолятор, а это означает, что его электроны имеют ограниченную подвижность и, следовательно, не могут проводить электричество. Удивительно, но исследователи обнаружили, что этот материал демонстрирует ряд новых квантовых свойств, таких как переключение между изолирующей и сверхпроводящей фазами. Они смогли контролировать такое поведение переключения, создав устройство, которое работало как переключатель «вкл/выкл».

Но это был только первый шаг. Затем исследователи подвергли материал двум важным условиям. Первое, что они сделали, — охладили дителлурид вольфрама до исключительно низких температур, около 50 милликельвинов (мК).

Пятьдесят милликельвинов — это -273,10 градусов по Цельсию (или -459,58 градусов по Фаренгейту), невероятно низкая температура, при которой доминируют квантово-механические эффекты.

Затем исследователи превратили материал из изолятора в сверхпроводник, введя в него несколько дополнительных электронов. Чтобы достичь сверхпроводящего состояния, не потребовалось особых усилий. «Только небольшое напряжение на затворе может превратить материал из изолятора в сверхпроводник», — сказал Тяньцин Сун, постдокторант в области физики и ведущий автор исследования. «Это действительно крутой эффект».

Исследователи обнаружили, что они могут точно контролировать свойства сверхпроводимости, регулируя плотность электронов в материале с помощью напряжения на затворе. При критической плотности электронов квантовые вихри быстро размножаются и разрушают сверхпроводимость, вызывая квантовый фазовый переход.

Чтобы обнаружить присутствие этих квантовых вихрей, исследователи создали небольшой температурный градиент в образце, сделав одну сторону дителлурида вольфрама немного теплее, чем другую. «Вихри ищут более прохладный край», — сказал Онг. «При температурном градиенте все вихри в образце смещаются в более холодную часть, поэтому вы создали реку вихрей, которая течет из более теплой части в более холодную».

Вихревой поток генерирует обнаруживаемый сигнал напряжения в сверхпроводнике. Это связано с эффектом, названным в честь лауреата Нобелевской премии по физике Брайана Джозефсона, чья теория предсказывает, что когда поток вихрей пересекает линию, проведенную между двумя электрическими проводниками, он генерирует слабое поперечное напряжение, которое можно обнаружить с помощью нановольт. метр.

«Мы можем убедиться, что это эффект Джозефсона; если вы поменяете магнитное поле, обнаруженное напряжение изменится на противоположное», — сказал Онг.

«Это очень специфический признак вихревого тока», — добавил Ву. «Непосредственное обнаружение этих движущихся вихрей дает нам экспериментальный инструмент для измерения квантовых флуктуаций в образце, чего иначе трудно достичь».

Удивительные квантовые явления

Как только исследователи смогли измерить эти квантовые флуктуации, они обнаружили ряд неожиданных явлений. Первым сюрпризом стала удивительная сила вихрей. Эксперимент показал, что эти вихри сохраняются при температурах и магнитных полях, значительно превышающих ожидаемые. Они выживают при температурах и диапазонах, намного более высоких, чем сверхпроводящая фаза, резистивная фаза материи.

Вторым главным сюрпризом является то, что вихревой сигнал внезапно исчез, когда плотность электронов оказалась ниже критического значения, при котором происходит квантовый фазовый переход сверхпроводящего состояния. При этом критическом значении электронной плотности, которое исследователи называют квантовой критической точкой (ККП), которая представляет собой точку с нулевой температурой на фазовой диаграмме, квантовые флуктуации приводят к фазовому переходу.

«Мы ожидали увидеть постоянные сильные флуктуации ниже критической плотности электронов на несверхпроводящей стороне, точно так же, как сильные флуктуации, наблюдаемые значительно выше температуры перехода БКТ», — сказал Ву.

«Однако мы обнаружили, что вихревые сигналы «внезапно» исчезают в тот момент, когда критическая плотность электронов превышается. Это был шок. Мы вообще не можем объяснить это наблюдение – «внезапную смерть» флуктуаций».

«Другими словами, мы открыли новый тип квантовой критической точки, но не понимаем ее», — добавил Онг.

В области физики конденсированного состояния в настоящее время существуют две устоявшиеся теории, объясняющие фазовые переходы в сверхпроводниках: теория Гинзбурга-Ландау и теория БКТ. Однако исследователи обнаружили, что ни одна из этих теорий не объясняет наблюдаемые явления.

«Нам нужна новая теория, чтобы описать, что происходит в этом случае, и мы надеемся заняться этим в будущих работах, как теоретически, так и экспериментально», — сказал Ву.