Onderzoeksresultaten

In dit onderzoek werd een molybdeen-germanium (Mo_x Ge_1-x ) dunne films met een amorfe structuur, bekend als een tweedimensionale supergeleider met uniforme structuur en wanorde, werden vervaardigd en gebruikt. Het is 10 nanometer dik (één nanometer is een miljardste van een meter) en belooft de fluctuatie-effecten te hebben die kenmerkend zijn voor tweedimensionale systemen.

Omdat fluctuatiesignalen niet kunnen worden gedetecteerd door elektrische weerstandsmetingen omdat ze begraven liggen in het signaal van normaal geleidende elektronenverstrooiing, voerden de onderzoekers thermo-elektrische effectmetingen uit, die twee soorten fluctuaties kunnen detecteren:1) supergeleidende fluctuaties (fluctuaties in de amplitude van supergeleiding ) en 2) magnetische fluxlijnbeweging (fluctuaties in de fase van supergeleiding).

Wanneer er een temperatuurverschil wordt aangelegd in de lengterichting van het monster, genereren de supergeleidende fluctuaties en de beweging van de magnetische fluxlijnen een spanning in de dwarsrichting.

Normale elektronenbeweging genereert daarentegen spanning voornamelijk in de longitudinale richting. In monsters zoals amorfe materialen, waar elektronen niet gemakkelijk bewegen, is de spanning die wordt gegenereerd door elektronen in de transversale richting verwaarloosbaar, dus alleen de fluctuatiebijdrage kan selectief worden gedetecteerd door de transversale spanning te meten.

Het thermo-elektrische effect werd gemeten in verschillende magnetische velden en bij verschillende temperaturen, variërend van veel hoger dan de supergeleidende overgangstemperatuur van 2,4 K (Kelvin) tot een zeer lage temperatuur van 0,1 K (1/3000 van 300 K, de kamertemperatuur). temperatuur), die dicht bij het absolute nulpunt ligt. Hieruit blijkt dat supergeleidende fluctuaties niet alleen overleven in het vloeibare gebied van de magnetische flux, waar supergeleidende fasefluctuaties meer uitgesproken zijn, maar ook over een breed temperatuur-magneetveldgebied verder naar buiten, dat wordt beschouwd als het gebied van de normale toestand, waar supergeleiding wordt vernietigd.

Met name werd voor het eerst de grens tussen thermische (klassieke) en kwantumfluctuaties met succes gedetecteerd. De waarde van het magnetische veld wanneer de crossover-lijn het absolute nulpunt bereikt, komt waarschijnlijk overeen met het kwantumkritische punt waar de kwantumfluctuaties het sterkst zijn, en dat punt bevindt zich duidelijk binnen het bereik van het magnetische veld waar een abnormale metaalachtige toestand werd waargenomen in de elektrische weerstand. /P>

Het was tot nu toe niet mogelijk om het bestaan ​​van dit kwantumkritische punt te detecteren op basis van metingen van de elektrische weerstand. Dit resultaat laat zien dat de afwijkende metaaltoestand in een magnetisch veld op het absolute nulpunt in tweedimensionale supergeleiders, die al dertig jaar onopgelost is gebleven, zijn oorsprong vindt in het bestaan ​​van het kwantumkritische punt. Met andere woorden:de afwijkende metaaltoestand is een verbrede kwantumkritische grondtoestand voor de overgang tussen supergeleider en isolator.

De thermo-elektrische effectmetingen die zijn verkregen voor amorfe conventionele supergeleiders kunnen worden beschouwd als standaardgegevens voor het thermo-elektrische effect op supergeleiders, omdat ze puur het effect van fluctuaties in supergeleiding vastleggen zonder de bijdrage van elektronen in de normale toestand.

Het thermo-elektrische effect is belangrijk in termen van de toepassing ervan op elektrische koelsystemen, enz., en er is behoefte aan de ontwikkeling van materialen die een groot thermo-elektrisch effect vertonen bij lage temperaturen om de limiet van koeltemperaturen te verlengen. Er zijn abnormaal grote thermo-elektrische effecten gerapporteerd bij lage temperaturen in bepaalde supergeleiders, en vergelijking met de huidige gegevens kan een aanwijzing opleveren voor de oorsprong ervan.

Toekomstig onderzoek zou de theoretische voorspelling kunnen aantonen dat in tweedimensionale supergeleiders met sterkere lokalisatie-effecten dan het huidige monster, de magnetische fluxlijnen zich in een kwantumgecondenseerde toestand zullen bevinden. In de toekomst zijn de onderzoekers van plan experimenten uit te voeren met behulp van de methoden van dit onderzoek, met als doel deze te detecteren.

Meer informatie: Koichiro Ienaga et al, Verbrede kwantumkritische grondtoestand in een ongeordende supergeleidende dunne film, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46628-7

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , Natuurcommunicatie

Aangeboden door het Tokyo Institute of Technology