Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) benaderen het twee decennia oude mysterie waarom een ​​abnormale metaalachtige toestand verschijnt in de supergeleider-isolatorovergang in 2D-supergeleiders. Door experimentele metingen van een thermo-elektrisch effect, ze ontdekten dat de kwantumvloeistoftoestand van kwantumwervels de abnormale metallische toestand veroorzaakt. De resultaten verduidelijken de aard van de overgang en kunnen helpen bij het ontwerpen van supergeleidende apparaten voor kwantumcomputers.

De supergeleidende toestand, waarin stroom vloeit zonder elektrische weerstand, heeft natuurkundigen gefascineerd sinds de ontdekking in 1911. Het is uitgebreid bestudeerd, niet alleen vanwege de mogelijke toepassingen, maar ook om een ​​beter begrip te krijgen van kwantumverschijnselen. Hoewel wetenschappers nu veel meer weten over deze eigenaardige toestand dan in de 20e eeuw, er lijkt geen einde te komen aan de mysteries die supergeleiders bevatten.

Een beroemd, technologisch relevant voorbeeld is de supergeleider-isolatorovergang (SIT) in tweedimensionale (2-D) materialen. Als men dunne films van bepaalde materialen afkoelt tot bijna het absolute nulpunt en een extern magnetisch veld aanbrengt, de effecten van thermische fluctuaties worden voldoende onderdrukt zodat zuiver kwantumverschijnselen (zoals supergeleiding) macroscopisch domineren. Hoewel de kwantummechanica voorspelt dat de SIT een directe overgang is van de ene toestand naar de andere, meerdere experimenten hebben het bestaan ​​aangetoond van een afwijkende metaaltoestand tussen beide fasen.

Tot dusver, de oorsprong van deze mysterieuze tussentoestand is wetenschappers al meer dan twee decennia ontgaan. Daarom heeft een team van wetenschappers van de afdeling Natuurkunde van Tokyo Tech, Japan, onlangs op zoek naar een antwoord op de vraag in een studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . Universitair docent Koichiro Ienaga, die de studie leidde, legt hun motivatie uit, "Er zijn theorieën die de oorsprong van dissipatieve weerstand bij nultemperatuur in 2D-supergeleiders proberen te verklaren, maar er zijn geen definitieve experimentele demonstraties met behulp van weerstandsmetingen gedaan om ondubbelzinnig duidelijk te maken waarom de SIT verschilt van de verwachte kwantumfase-overgangsmodellen."

De wetenschappers gebruikten een amorfe molybdeen-germanium (MoGe) dunne film afgekoeld tot een extreem lage temperatuur van 0,1 K en legden een extern magnetisch veld aan. Ze maten een transversaal thermo-elektrisch effect door de film genaamd het "Nernst-effect, " die op gevoelige en selectieve wijze supergeleidende fluctuaties kan onderzoeken die worden veroorzaakt door mobiele magnetische flux. De resultaten onthulden iets belangrijks over de aard van de abnormale metallische toestand:de "kwantum vloeibare toestand" van kwantumwervels veroorzaakt de abnormale metallische toestand. De kwantum vloeibare toestand is de eigenaardige toestand waarin de deeltjes zelfs bij nultemperatuur niet bevroren zijn vanwege de kwantumfluctuaties.

Het belangrijkste is, de experimenten onthulden dat de afwijkende metaaltoestand voortkomt uit kwantumkritiek; het eigenaardige verbrede kwantumkritische gebied bij nultemperatuur komt overeen met de abnormale metallische toestand. Dit staat in schril contrast met het kwantumkritische "punt" bij nultemperatuur in de gewone SIT. Faseovergangen gemedieerd door puur kwantumfluctuaties (kwantumkritische punten) zijn al lang bestaande puzzels in de natuurkunde, en deze studie brengt ons een stap dichter bij het begrijpen van de SIT voor 2D-supergeleiders. Enthousiast over de algemene resultaten, Ienaga merkt op, "Met precisie supergeleidende fluctuaties detecteren in een puur kwantumregime, zoals we in deze studie hebben gedaan, opent een nieuwe weg naar supergeleidende apparaten van de volgende generatie, inclusief q-bits voor kwantumcomputers."

Nu deze studie licht heeft geworpen op het twee decennia oude SIT-mysterie, verder onderzoek zal nodig zijn om een ​​nauwkeuriger begrip te krijgen van de bijdragen van de kwantumwervels in de afwijkende metallische toestand. Laten we hopen dat de immense kracht van supergeleiding snel bij de hand zal zijn!