Natuurkundigen uit Princeton hebben een abrupte verandering in het kwantumgedrag ontdekt terwijl ze experimenteerden met een drie atomen dunne isolator die gemakkelijk kan worden omgezet in een supergeleider.

Het onderzoek belooft ons begrip van de kwantumfysica in vaste stoffen in het algemeen te vergroten en ook de studie van de kwantumfysica van de gecondenseerde materie en supergeleiding in potentieel nieuwe richtingen te stuwen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics in een artikel met de titel "Unconventional Superconducting Quantum Criticality in Monolayer WTe₂ ."

De onderzoekers, onder leiding van Sanfeng Wu, assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Princeton, ontdekten dat de plotselinge stopzetting (of ‘dood’) van kwantummechanische fluctuaties een reeks unieke kwantumgedragingen en -eigenschappen vertoont die buiten het bereik van gevestigde theorieën lijken te liggen. .

Fluctuaties zijn tijdelijke willekeurige veranderingen in de thermodynamische toestand van een materiaal dat op het punt staat een faseovergang te ondergaan. Een bekend voorbeeld van een faseovergang is het smelten van ijs naar water. Het Princeton-experiment onderzocht fluctuaties die optreden in een supergeleider bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt.

"Wat we ontdekten, door rechtstreeks naar kwantumfluctuaties nabij de overgang te kijken, was duidelijk bewijs van een nieuwe kwantumfase-overgang die in strijd is met de standaard theoretische beschrijvingen die in het veld bekend zijn", zei Wu. "Als we dit fenomeen eenmaal begrijpen, denken we dat er een reële mogelijkheid bestaat dat er een opwindende, nieuwe theorie ontstaat."

Kwantumfasen en supergeleiding

In de fysieke wereld vinden faseovergangen plaats wanneer een materiaal, zoals een vloeistof, gas of vaste stof, van de ene toestand of vorm naar de andere verandert. Maar faseovergangen komen ook op kwantumniveau voor. Deze treden op bij temperaturen die het absolute nulpunt naderen (-273,15° Celsius) en omvatten de voortdurende afstemming van een externe parameter, zoals druk of magnetisch veld, zonder de temperatuur te verhogen.

Onderzoekers zijn vooral geïnteresseerd in hoe kwantumfase-overgangen plaatsvinden in supergeleiders, materialen die elektriciteit geleiden zonder weerstand. Supergeleiders kunnen het informatieproces versnellen en vormen de basis van krachtige magneten die worden gebruikt in de gezondheidszorg en het transport.

"Hoe een supergeleidende fase kan worden veranderd in een andere fase is een intrigerend studiegebied", zegt Wu. "En we zijn al een tijdje geïnteresseerd in dit probleem in atomair dunne, schone en enkelvoudige kristallijne materialen."

Supergeleiding treedt op wanneer elektronen paren en samen stromen zonder weerstand en zonder energie te dissiperen. Normaal gesproken reizen elektronen op een grillige manier door circuits en draden, waarbij ze elkaar verdringen op een manier die uiteindelijk inefficiënt is en energie verspilt. Maar in de supergeleidende toestand werken elektronen samen op een manier die energie-efficiënt is.

Supergeleiding is al sinds 1911 bekend, maar hoe en waarom het werkte bleef grotendeels een mysterie tot 1956, toen de kwantummechanica licht begon te werpen op het fenomeen. Maar het is pas de laatste tien jaar dat supergeleiding wordt bestudeerd in schone, atomair dunne tweedimensionale materialen. Lange tijd werd aangenomen dat supergeleiding onmogelijk was in een tweedimensionale wereld.

"Dit kwam tot stand omdat, als je naar lagere dimensies gaat, de fluctuaties zo sterk worden dat ze elke mogelijkheid van supergeleiding 'doden'', zegt N. Phuan Ong, de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Princeton en auteur van het artikel.

De belangrijkste manier waarop fluctuaties de tweedimensionale supergeleiding vernietigen, is door het spontaan ontstaan ​​van wat een kwantumvortex wordt genoemd (meervoud:wervels).

Elke vortex lijkt op een kleine draaikolk die bestaat uit een microscopisch klein magnetisch veld dat gevangen zit in een wervelende elektronenstroom. Wanneer het monster boven een bepaalde temperatuur wordt gebracht, verschijnen er spontaan in paren wervels:wervels en anti-wervels. Hun snelle beweging vernietigt de supergeleidende toestand.

"Een draaikolk is als een draaikolk", zei Ong. "Het zijn kwantumversies van de wervelwind die je ziet als je een badkuip leeg laat lopen."

Natuurkundigen weten nu dat supergeleiding in ultradunne films bestaat onder een bepaalde kritische temperatuur die bekend staat als de BKT-overgang, genoemd naar de natuurkundigen van de gecondenseerde materie Vadim Berezinskii, John Kosterlitz en David Thouless. De laatste twee deelden de Nobelprijs voor natuurkunde in 2016 met natuurkundige F. Duncan Haldane uit Princeton, hoogleraar natuurkunde aan de Sherman Fairchild University.

De BKT-theorie wordt algemeen beschouwd als een succesvolle beschrijving van hoe kwantumwervelingen zich vermenigvuldigen in tweedimensionale supergeleiders en de supergeleiding vernietigen. De theorie is van toepassing wanneer de supergeleidende overgang wordt geïnduceerd door het opwarmen van het monster.

Het huidige experiment

De vraag hoe tweedimensionale supergeleiding kan worden vernietigd zonder de temperatuur te verhogen is een actief onderzoeksgebied op het gebied van supergeleiding en faseovergangen. Bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt wordt een kwantumovergang veroorzaakt door kwantumfluctuaties. In dit scenario onderscheidt de transitie zich van de temperatuurgestuurde BKT-transitie.

De onderzoekers begonnen met een bulkkristal van wolfraamditelluride (WTe₂ ), dat is geclassificeerd als een gelaagd halfmetaal. De onderzoekers begonnen met het omzetten van het wolfraamditelluride in een tweedimensionaal materiaal door het materiaal steeds meer te exfoliëren of af te pellen tot een enkele, atomaire dunne laag.

Op dit dunheidsniveau gedraagt ​​het materiaal zich als een zeer sterke isolator, wat betekent dat de elektronen een beperkte beweging hebben en daarom geen elektriciteit kunnen geleiden. Verbazingwekkend genoeg ontdekten de onderzoekers dat het materiaal een groot aantal nieuwe kwantumgedragingen vertoont, zoals het schakelen tussen isolerende en supergeleidende fasen. Dit schakelgedrag konden ze onder controle krijgen door een apparaat te bouwen dat net als een “aan en uit” schakelaar functioneert.

Maar dit was slechts de eerste stap. De onderzoekers onderwierpen het materiaal vervolgens aan twee belangrijke voorwaarden. Het eerste wat ze deden was het wolfraamditelluride afkoelen tot uitzonderlijk lage temperaturen, ongeveer 50 milliKelvin (mK).

Vijftig milliKelvin is -273,10° Celsius (of -459,58° Fahrenheit), een ongelooflijk lage temperatuur waarbij kwantummechanische effecten dominant zijn.

Vervolgens hebben de onderzoekers het materiaal van een isolator omgezet in een supergeleider door wat extra elektronen in het materiaal te introduceren. Er was niet veel spanning nodig om de supergeleidende toestand te bereiken. "Slechts een kleine hoeveelheid poortspanning kan het materiaal veranderen van een isolator in een supergeleider", zegt Tiancheng Song, een postdoctoraal onderzoeker in de natuurkunde en de hoofdauteur van het artikel. "Dit is echt een opmerkelijk effect."

De onderzoekers ontdekten dat ze de eigenschappen van supergeleiding nauwkeurig konden controleren door de dichtheid van elektronen in het materiaal aan te passen via de poortspanning. Bij een kritische elektronendichtheid prolifereren de kwantumwervelingen snel en vernietigen ze de supergeleiding, waardoor de kwantumfase-overgang plaatsvindt.

Om de aanwezigheid van deze kwantumwervelingen te detecteren, creëerden de onderzoekers een kleine temperatuurgradiënt op het monster, waardoor de ene kant van het wolfraamditelluride iets warmer werd dan de andere. ‘Vortices zoeken de koelere rand op,’ zei Ong. "In de temperatuurgradiënt drijven alle wervels in het monster naar het koelere deel, dus wat je hebt gecreëerd is een rivier van wervels die van het warmere naar het koelere deel stroomt."

De stroom van wervels genereert een detecteerbaar spanningssignaal in een supergeleider. Dit komt door een effect dat genoemd is naar de Nobelprijswinnende natuurkundige Brian Josephson, wiens theorie voorspelt dat wanneer een stroom wervels een lijn tussen twee elektrische contacten kruist, deze een zwakke transversale spanning genereren, die kan worden gedetecteerd door een nanovolt. meter.

"We kunnen verifiëren dat dit het Josephson-effect is; als je het magnetische veld omkeert, keert de gedetecteerde spanning om", zei Ong.

"Dit is een heel specifieke signatuur van een wervelstroom", voegde Wu toe. "De directe detectie van deze bewegende wervels geeft ons een experimenteel hulpmiddel om kwantumfluctuaties in het monster te meten, wat anders moeilijk te bereiken is."

Verrassende kwantumfenomenen

Toen de auteurs deze kwantumfluctuaties eenmaal konden meten, ontdekten ze een reeks onverwachte verschijnselen. De eerste verrassing was de opmerkelijke robuustheid van de wervels. Het experiment toonde aan dat deze wervelingen aanhouden bij veel hogere temperaturen en magnetische velden dan verwacht. Ze overleven bij temperaturen en velden ruim boven de supergeleidende fase, in de resistieve fase van het materiaal.

Een tweede grote verrassing is dat het wervelsignaal abrupt verdween toen de elektronendichtheid net onder de kritische waarde werd afgestemd waarbij de kwantumfase-overgang van de supergeleidende toestand plaatsvindt. Bij deze kritische waarde van de elektronendichtheid, die de onderzoekers het kwantumkritische punt (QCP) noemen en dat een punt op nultemperatuur in een fasediagram vertegenwoordigt, sturen kwantumfluctuaties de faseovergang aan.

"We hadden verwacht dat er sterke fluctuaties zouden blijven bestaan ​​onder de kritische elektronendichtheid aan de niet-supergeleidende kant, net zoals de sterke fluctuaties die we ruim boven de BKT-overgangstemperatuur zien", aldus Wu.

"Maar wat we ontdekten was dat de vortexsignalen 'plotseling' verdwijnen op het moment dat de kritische elektronendichtheid wordt overschreden. En dit was een schok. We kunnen deze waarneming helemaal niet verklaren:de 'plotselinge dood' van de fluctuaties."

Ong voegde eraan toe:"Met andere woorden, we hebben een nieuw type kwantumkritisch punt ontdekt, maar we begrijpen het niet."

Op het gebied van de fysica van de gecondenseerde materie zijn er momenteel twee gevestigde theorieën die faseovergangen van een supergeleider verklaren:de Ginzburg-Landau-theorie en de BKT-theorie. De onderzoekers ontdekten echter dat geen van deze theorieën de waargenomen verschijnselen verklaart.

"We hebben een nieuwe theorie nodig om te beschrijven wat er in dit geval aan de hand is", zei Wu, "en dat is iets dat we in toekomstige werken hopen aan te pakken, zowel theoretisch als experimenteel."

Meer informatie: Tiancheng Song et al, Onconventionele supergeleidende kwantumkriticiteit in monolaag WTe₂ , Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02291-1

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door Princeton University