Une percée quantique révèle la nature cachée des supraconducteurs

L'effet thermique révèle l'image complète des fluctuations de la supraconductivité.

Faibles fluctuations de la supraconductivité,^[1] Le phénomène de supraconductivité a été découvert avec succès par un groupe de recherche de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech). Cet exploit a été réalisé en mesurant l'effet thermique^[2] Dans les supraconducteurs, sur une large gamme de champs magnétiques et sur une large gamme de températures allant de bien au-dessus de la température de transition supraconductrice jusqu'à des températures très basses proches de Zéro absolu.

Cela a révélé l’image complète des fluctuations de la supraconductivité en fonction de la température et du champ magnétique, et a démontré l’origine de l’état métallique anormal dans les champs magnétiques, qui constituait un problème non résolu dans le domaine de la supraconductivité 2D.^[3] Depuis 30 ans, un point quantique critique existe^[4] Là où les fluctuations quantiques sont les plus fortes.

Comprendre les supraconducteurs

Un supraconducteur est un matériau dans lequel les électrons s’apparient à basse température, ce qui entraîne une résistance électrique nulle. Il est utilisé comme matériau pour de puissants électro-aimants dans l’IRM médicale et d’autres applications. Ils sont également cruciaux en tant que petits éléments logiques dans les ordinateurs quantiques fonctionnant à basse température, et il est nécessaire d’élucider les propriétés des supraconducteurs à basse température lorsqu’ils sont miniaturisés.

Les supraconducteurs 2D atomiquement minces sont fortement affectés par les fluctuations et présentent donc des propriétés qui diffèrent considérablement de celles des supraconducteurs plus épais. Il existe deux types de fluctuations : thermiques (classiques), plus prononcées à haute température, et quantiques, plus importantes à très basse température, ces dernières provoquant divers phénomènes intéressants.

Par exemple, lorsqu'un champ magnétique est appliqué perpendiculairement à un supraconducteur bidimensionnel au zéro absolu et croissant, une transition d'un supraconducteur à résistance nulle à un isolant avec des électrons localisés se produit. Ce phénomène est appelé transition d'isolant supraconducteur induite par un champ magnétique et constitue un exemple typique de transition de phase quantique.^[4] Causé par des fluctuations quantiques.

Figure 1. (À gauche) Dans un champ magnétique à méso-échelle, des lignes de flux magnétique se traversent sous la forme de défauts accompagnés de tourbillons de courants supraconducteurs. (Centre) Schéma conceptuel de l'état de « fluctuation de supraconductivité », précurseur de la supraconductivité. Des régions supraconductrices variables dans le temps, spatialement non uniformes, ressemblant à des bulles, se forment. (À droite) Diagramme schématique de la mesure de l’effet thermique. Le mouvement des lignes de flux magnétique et les fluctuations de supraconductivité génèrent une tension perpendiculaire au flux de chaleur (gradient de température). Crédit : Koichiro Inaga

Cependant, on sait depuis les années 1990 que pour les échantillons présentant des effets de localisation relativement faibles, un état métallique anormal apparaît dans la région du champ magnétique intermédiaire où la résistance électrique est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à l'état normal. On pense que l’origine de cet état métallique anormal est un état semblable à un liquide, dans lequel les lignes de flux magnétique (Figure 1 à gauche) qui pénètrent dans le supraconducteur sont déplacées par des fluctuations quantiques.

Cependant, cette prédiction n'a pas été prouvée car la plupart des expériences précédentes sur les supraconducteurs 2D utilisaient des mesures de résistance électrique qui examinaient la réponse de la tension au courant, ce qui rendait difficile la distinction entre les signaux de tension résultant du mouvement des lignes de flux magnétique et ceux résultant de la diffusion. d'électrons à conduction normale.

Une équipe de recherche dirigée par le professeur adjoint Koichiro Inaga et le professeur Satoshi Okuma du département de physique de la faculté des sciences de l'université technologique de Tokyo a rapporté dans Lettres d'examen physique 2020 Le mouvement quantique des lignes de flux magnétique se produit dans un état métallique anormal en utilisant l'effet thermoélectrique, où une tension électrique est générée en fonction du flux de chaleur (gradient de température) plutôt qu'en fonction d'un courant.

Cependant, pour clarifier davantage l’origine de l’état métallique anormal, il est nécessaire d’élucider le mécanisme par lequel l’état supraconducteur est détruit par la fluctuation quantique et passe à l’état normal (isolant). Dans cette étude, ils ont effectué des mesures visant à détecter l’état de fluctuation de la supraconductivité (au centre de la figure 1), un état précurseur de la supraconductivité dont on pense qu’il existe à l’état naturel.

Figure 2. L'image complète des fluctuations de la supraconductivité est révélée sur une large plage de champs magnétiques et sur une large plage de températures, allant de bien au-dessus de la température de transition supraconductrice jusqu'à 0,1 K. L'existence d'une ligne d'intersection entre la chaleur (classique) et les fluctuations quantiques a été démontrée pour la première fois, et le point critique quantique auquel cette ligne atteint le zéro absolu s'est avéré être situé dans la région métallique anormale. Crédit : Koichiro Inaga

Réalisations et techniques de recherche

Dans cette étude, le molybdène germanium (Mo_sBon sang_1-s) minces Avec une structure amorphe,^[5] Connu comme un supraconducteur bidimensionnel à structure uniforme et chaotique, il a été fabriqué et utilisé. Il fait 10 nanomètres d'épaisseur (un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre) et promet d'avoir des effets de fluctuation caractéristiques des systèmes 2D.

Étant donné que les signaux de fluctuation ne peuvent pas être détectés par les mesures de résistance électrique car ils sont enfouis dans le signal de diffusion électronique à conduction normale, nous avons effectué des mesures de l'effet thermoélectrique, qui peuvent détecter deux types de fluctuations : (1) les fluctuations de supraconductivité (fluctuations de la capacité supraconductrice) et ( 2) Mouvement de la ligne de flux magnétique (fluctuations dans la phase supraconductrice).

Lorsqu'une différence de température est appliquée dans le sens longitudinal de l'échantillon, les fluctuations de supraconductivité et le mouvement des lignes de flux magnétique génèrent une tension dans le sens transversal. En revanche, le mouvement normal des électrons génère une tension principalement dans le sens longitudinal. En particulier dans les échantillons tels que les matériaux amorphes, où les électrons ne se déplacent pas facilement, la tension générée par les électrons dans la direction transversale est faible, de sorte que la contribution à la fluctuation seule peut être détectée sélectivement en mesurant la tension transversale (Figure 1, à droite).

L'effet thermoélectrique a été mesuré dans divers champs magnétiques et à diverses températures allant de bien au-dessus de la température de transition de supraconductivité de 2,4 kelvin (K) jusqu'à 0,1 K (1/3 000 de 300 K, ° température ambiante). , qui est proche du zéro absolu. Cela révèle que les fluctuations de supraconductivité restent présentes non seulement dans la région liquide du flux magnétique (région rouge foncé sur la figure 2), où les fluctuations de phase supraconductrice sont les plus évidentes, mais également sur une large région du champ magnétique de température plus à l'extérieur, qui est considérée comme la région de l'état normal, où la supraconductivité est détruite (la région de champ magnétique élevé et de température élevée au-dessus de la ligne continue convexe supérieure sur la figure 2). Notamment, la ligne d’intersection entre les fluctuations thermiques (classiques) et quantiques a été découverte avec succès pour la première fois (ligne continue épaisse sur la figure 2).

La valeur du champ magnétique lorsque la ligne d'intersection atteint le zéro absolu correspond probablement au point critique quantique où les fluctuations quantiques sont les plus fortes, et ce point (cercle blanc sur la figure 2) se situe clairement dans la plage du champ magnétique où existe un état métallique anormal. Il a été observé dans la résistance électrique. L’existence de ce point critique quantique n’a pas encore été détectée à partir de mesures de résistance électrique.

Ce résultat révèle que l’état métallique anormal dans le champ magnétique au zéro absolu dans les supraconducteurs 2D, resté non résolu depuis 30 ans, résulte de l’existence d’un point critique quantique. En d’autres termes, l’état métallique anormal est un état fondamental quantique critique étendu pour la transition du supraconducteur à l’isolant.

Conséquences

Les mesures de l'effet thermoélectrique obtenues pour les supraconducteurs amorphes conventionnels peuvent être considérées comme des données standard pour l'effet thermoélectrique sur les supraconducteurs, car elles capturent l'effet des fluctuations de la supraconductivité sans la contribution des électrons à l'état normal. L'effet thermique est important en termes d'application aux systèmes de réfrigération électriques, etc., et il existe un besoin de développer des matériaux qui présentent un effet thermique significatif à basse température pour prolonger les températures de refroidissement maximales. Des effets thermoélectriques inhabituellement importants à basse température ont été signalés dans certains supraconducteurs, et une comparaison avec les données existantes peut fournir un indice sur leur origine.

Développements futurs

L'un des intérêts académiques à développer dans cette étude est de clarifier la prédiction théorique selon laquelle dans les supraconducteurs 2D avec des effets de localisation plus forts que le présent échantillon, les lignes de flux magnétiques seront dans un état quantique condensé6. À l’avenir, nous prévoyons de publier des expériences utilisant les méthodes de cette étude pour le découvrir.

Les résultats de cette étude ont été publiés en ligne dans Communications naturelles Le 16 mars 2024.

conditions

1. Fluctuations de la supraconductivité : La force de la supraconductivité n’est pas uniforme et fluctue dans le temps et dans l’espace. Il est normal que des fluctuations thermiques se produisent, mais à proximité du zéro absolu, des fluctuations quantiques se produisent sur la base du principe d'incertitude de la mécanique quantique.
2. Effet thermique : Effet de l'échange d'énergie thermique et électrique. Une tension est générée lorsqu’une différence de température est appliquée, tandis qu’une différence de température est produite lorsqu’une tension est appliquée. Le premier est à l’étude pour être utilisé comme dispositif de production d’électricité et le second comme dispositif de refroidissement. Dans cette étude, il a été utilisé pour détecter les fluctuations de la supraconductivité.
3. Supraconductivité 2D : Supraconducteur ultra fin. Lorsque l’épaisseur devient inférieure à la distance entre les paires d’électrons responsables de la supraconductivité, l’effet des fluctuations de la supraconductivité devient plus fort et les propriétés des supraconducteurs sont complètement différentes de celles des supraconducteurs plus épais.
4. Point critique quantique, transition de phase quantique : La transition de phase qui se produit au zéro absolu lorsqu’un paramètre tel que le champ magnétique est modifié est appelée transition de phase quantique et se distingue de la transition de phase provoquée par un changement de température. Le point critique quantique est le point de transition de phase où se produit la transition de phase quantique.s Ils se produisent là où les fluctuations quantiques sont les plus fortes.
5. Structure amorphe : Structure de la matière dans laquelle les atomes sont disposés de manière irrégulière et n'ont pas de structure cristalline.
6. État quantique condensé : Condition dans laquelle un grand nombre de particules sont dans l’état d’énergie le plus bas et se comportent comme une seule onde macroscopique. En supraconductivité, de nombreuses paires d’électrons sont condensées. L'hélium liquide se condense également lorsqu'il est refroidi à 2,17 K, ce qui entraîne une fluidité supérieure sans caractère collant.

Référence : « État fondamental critique quantique étendu dans un film mince supraconducteur désordonné » par Koichiro Inaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami et Satoshi Okuma, 16 mars 2024, Communications naturelles.
est ce que je: 10.1038/s41467-024-46628-7