De toepassing van voldoende grote magnetische velden resulteert in de verstoring van supergeleidende toestanden in materialen, zelfs bij drastisch lage temperaturen, daardoor veranderden ze direct in isolatoren - of zo werd traditioneel gedacht. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), de Universiteit van Tokyo en Tohoku University rapporteren merkwaardige multi-state overgangen van deze supergeleiders waarin ze veranderen van supergeleider naar speciaal metaal en vervolgens naar isolator.

Gekenmerkt door hun nul elektrische weerstand, Of anders, hun vermogen om externe magnetische velden volledig te verdrijven, supergeleiders hebben fascinerende perspectieven voor zowel fundamentele fysica als toepassingen voor bijvoorbeeld supergeleidende spoelen voor magneten. Dit fenomeen wordt begrepen door een sterk geordende relatie tussen de elektronen van het systeem te beschouwen. Vanwege een coherentie over het hele systeem, elektronen vormen begrensde paren en stromen zonder botsingen als een collectief, resulterend in een perfecte geleidende toestand zonder energiedissipatie. Echter, bij het introduceren van een magnetisch veld, de elektronen zijn niet langer in staat om hun coherente relatie te behouden, en de supergeleiding gaat verloren. Voor een gegeven temperatuur, het hoogste magnetische veld waaronder een materiaal supergeleidend blijft, staat bekend als het kritische veld.

Vaak worden deze kritieke punten gemarkeerd door faseovergangen. Als de verandering abrupt is, zoals bij het smelten van ijs, het is een overgang van de eerste orde. Als de overgang op een geleidelijke en continue manier plaatsvindt door de groei van veranderingsdrijvende fluctuaties die zich over het hele systeem uitstrekken, het wordt een overgang van de tweede orde genoemd. Het bestuderen van het transitiepad van supergeleiders wanneer ze worden onderworpen aan het kritieke veld, kan inzicht geven in de betrokken kwantumprocessen en stelt ons in staat slimmere supergeleiders (SC's) te ontwerpen voor toepassing op geavanceerde technologieën.

interessant, tweedimensionale supergeleiders (2-D SC's) zijn de perfecte kandidaten om dit soort faseovergangen te bestuderen en een van die nieuwe kandidaten is een mono-eenheidslaag van NbSe ₂ . Omdat een kleinere afmeting (dikte) van supergeleider een kleiner aantal mogelijke partners voor elektronen impliceert om supergeleidende paren te vormen, de kleinste verstoring kan een faseovergang instellen. Verder, 2-D SC is relevant vanuit het perspectief van toepassingen in de kleinschalige elektronica.

Bij dergelijke materialen het verhogen van het aangelegde magnetische veld voorbij een kritische waarde leidt tot een wazige toestand waarin het magnetische veld het materiaal binnendringt, maar de weerstand is nog minimaal. Pas wanneer het magnetische veld verder wordt vergroot, wordt de supergeleiding vernietigd en wordt het materiaal een gewone isolator. Dit wordt de faseovergang van supergeleider naar isolator genoemd. Omdat dit fenomeen bij zeer lage temperaturen wordt waargenomen, de kwantumfluctuaties in het systeem worden vergelijkbaar met, of zelfs groter dan de klassieke thermische fluctuaties. Daarom, dit wordt een kwantumfaseovergang genoemd.

Het pad van faseovergang begrijpen, evenals de vage of gemengde toestand die bestaat tussen de kritische veldsterkten in de NbSe ₂ ultradunne supergeleider, een groep onderzoekers heeft de magnetoweerstand van het materiaal gemeten (zie Fig. 1), of de reactie van de soortelijke weerstand van een SC bij blootstelling aan een extern magnetisch veld. Professor Ichinokura lead zegt, "Met behulp van een vierpuntssonde, we hebben het kritische magnetische veld geschat op de respectieve kwantumfasegrenzen in het monogelaagde NbSe ₂ ." (zie afb. 2)

Ze ontdekten dat als een klein magnetisch veld op de SC wordt aangelegd, de coherente stroom van elektronen wordt verbroken, maar de elektronenparen blijven over. Dit komt door beweging van wervels; de bewegende wervels creëren een eindige weerstand. De oorsprong van deze minimale weerstand werd geïnterpreteerd als het materiaal dat in een speciale staat van Bose-metaal (BM) terechtkwam, die veranderde in een isolerende toestand bij verdere toename van het magnetische veld. Het team ontdekte ook dat de overgang tussen normale en SC-toestanden rond de kritische temperatuur werd aangedreven door kwantumfluctuaties, ook als gevolg van een vergelijkbare multi-overgangsroute. Professor Ichinokura zegt:"De schaalanalyse op basis van het model van het Bose-metaal verklaarde de overgang in twee stappen, suggereert het bestaan ​​van een bosonische grondtoestand."

Deze studie ondersteunt de theoretische claims van meerfasige overgangen in supergeleiders dankzij het dunste monster van atomaire schaaldikte, en verlegt de grens van onderzoek verder.