Hiệu ứng nhiệt cho thấy bức tranh đầy đủ về sự biến động của chất siêu dẫn.

Biến động yếu trong tính siêu dẫn,^[1] Hiện tượng siêu dẫn được phát hiện thành công bởi nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech). Kỳ tích này đạt được bằng cách đo hiệu ứng nhiệt^[2] Trong các chất siêu dẫn trong một phạm vi từ trường rộng và trên một phạm vi nhiệt độ rộng từ trên nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn đến nhiệt độ rất thấp gần Không tuyệt đối.

Điều này tiết lộ bức tranh đầy đủ về sự biến động của chất siêu dẫn liên quan đến nhiệt độ và từ trường, đồng thời chứng minh nguồn gốc của trạng thái kim loại dị thường trong từ trường, vốn là một vấn đề chưa được giải quyết trong lĩnh vực siêu dẫn 2D.^[3] Trong 30 năm tồn tại một điểm lượng tử tới hạn^[4] Nơi biến động lượng tử ở mức mạnh nhất.

Tìm hiểu chất siêu dẫn

Chất siêu dẫn là vật liệu trong đó các electron kết hợp với nhau ở nhiệt độ thấp, dẫn đến điện trở bằng không. Nó được sử dụng làm vật liệu cho nam châm điện mạnh trong MRI y tế và các ứng dụng khác. Chúng cũng rất quan trọng vì là các phần tử logic nhỏ trong máy tính lượng tử hoạt động ở nhiệt độ thấp và cần phải làm sáng tỏ các tính chất của chất siêu dẫn nhiệt độ thấp khi chúng được thu nhỏ.

Chất siêu dẫn 2D mỏng về mặt nguyên tử bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các dao động và do đó thể hiện các đặc tính khác biệt đáng kể so với các chất siêu dẫn dày hơn. Có hai loại thăng giáng: nhiệt (cổ điển), rõ rệt hơn ở nhiệt độ cao, và lượng tử, quan trọng hơn ở nhiệt độ rất thấp, loại sau gây ra nhiều hiện tượng thú vị.

Ví dụ, khi một từ trường được đặt vuông góc với chất siêu dẫn hai chiều ở độ không tuyệt đối và tăng dần, sẽ xảy ra sự chuyển đổi từ chất siêu dẫn có điện trở bằng 0 sang chất cách điện có các electron định xứ. Hiện tượng này được gọi là quá trình chuyển đổi chất cách điện siêu dẫn do từ trường gây ra và là một ví dụ điển hình của quá trình chuyển pha lượng tử^[4] Do dao động lượng tử gây ra.

Hình 1. (Trái) Trong một từ trường cỡ trung, các đường sức từ xuyên qua dưới dạng khuyết tật kèm theo các dòng xoáy của dòng siêu dẫn. (Giữa) Sơ đồ khái niệm về trạng thái “dao động siêu dẫn”, tiền thân của siêu dẫn. Các vùng siêu dẫn giống như bong bóng, thay đổi theo thời gian, không đồng nhất về mặt không gian được hình thành. (Phải) Sơ đồ đo hiệu ứng nhiệt. Chuyển động của dòng từ thông và dao động siêu dẫn tạo ra một điện áp vuông góc với dòng nhiệt (gradien nhiệt độ). Nguồn: Koichiro Inaga

Tuy nhiên, người ta đã biết từ những năm 1990 rằng đối với các mẫu có hiệu ứng định vị tương đối yếu, trạng thái kim loại dị thường xuất hiện trong vùng từ trường trung gian nơi điện trở thấp hơn vài bậc so với trạng thái bình thường. Nguồn gốc của trạng thái kim loại dị thường này được cho là một trạng thái giống chất lỏng, trong đó các đường từ thông (Hình 1 bên trái) xuyên qua chất siêu dẫn được di chuyển bởi các dao động lượng tử.

Tuy nhiên, dự đoán này chưa được chứng minh vì hầu hết các thí nghiệm trước đây về chất siêu dẫn 2D đều sử dụng phép đo điện trở để kiểm tra phản ứng của điện áp với dòng điện, khiến cho việc phân biệt giữa tín hiệu điện áp phát sinh từ chuyển động của từ thông và tín hiệu phát sinh từ sự tán xạ trở nên khó khăn. của các electron có độ dẫn điện bình thường.

Một nhóm nghiên cứu do Trợ lý Giáo sư Koichiro Inaga và Giáo sư Satoshi Okuma từ Khoa Vật lý, Khoa Khoa học, Đại học Công nghệ Tokyo dẫn đầu đã báo cáo trên tạp chí Thư đánh giá thể chất 2020 Chuyển động lượng tử của các đường sức từ xảy ra ở trạng thái kim loại dị thường sử dụng hiệu ứng nhiệt điện, trong đó một điện áp được tạo ra đối với dòng nhiệt (gradien nhiệt độ) chứ không phải là dòng điện.

Tuy nhiên, để làm rõ hơn về nguồn gốc của trạng thái kim loại dị thường, cần làm sáng tỏ cơ chế khiến trạng thái siêu dẫn bị phá hủy bởi sự dao động lượng tử và chuyển sang trạng thái (cách điện) bình thường. Trong nghiên cứu này, họ đã thực hiện các phép đo nhằm phát hiện trạng thái dao động của chất siêu dẫn (ở giữa Hình 1), trạng thái báo trước của chất siêu dẫn được cho là tồn tại ở trạng thái tự nhiên.

Hình 2. Bức tranh đầy đủ về các thăng giáng của chất siêu dẫn được thể hiện trong một phạm vi từ trường rộng và trong một phạm vi nhiệt độ rộng, từ nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn đến nhiệt độ thấp tới 0,1 K. Sự tồn tại của một đường giao nhau giữa thăng giáng nhiệt (cổ điển) và lượng tử lần đầu tiên được chứng minh, và điểm tới hạn lượng tử mà tại đó đường này đạt đến độ không tuyệt đối được phát hiện là nằm trong vùng kim loại dị thường. Nguồn: Koichiro Inaga

Thành tựu và kỹ thuật nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, molypden germanium (Mo_Sôi_1-S) gầyS Với cấu trúc vô định hình,^[5] Được biết đến như một chất siêu dẫn hai chiều với cấu trúc đồng nhất và hỗn loạn, nó đã được chế tạo và sử dụng. Nó dày 10 nanomet (một nanomet là một phần tỷ mét) và hứa hẹn sẽ có những hiệu ứng dao động đặc trưng của hệ thống 2D.

Do các tín hiệu dao động không thể được phát hiện bằng các phép đo điện trở vì chúng bị chôn vùi trong tín hiệu tán xạ electron dẫn thông thường, nên chúng tôi đã thực hiện các phép đo hiệu ứng nhiệt điện, có thể phát hiện hai loại dao động: (1) dao động siêu dẫn (dao động trong điện dung siêu dẫn) và (2) Chuyển động của đường từ thông (dao động trong pha siêu dẫn).

Khi áp dụng chênh lệch nhiệt độ theo hướng dọc của mẫu, sự dao động của tính siêu dẫn và chuyển động của các đường sức từ sẽ tạo ra một điện áp theo hướng ngang. Ngược lại, chuyển động bình thường của electron tạo ra điện áp chủ yếu theo hướng dọc. Đặc biệt trong các mẫu như vật liệu vô định hình, trong đó các electron không di chuyển dễ dàng, điện áp do các electron tạo ra theo hướng ngang là nhỏ, do đó chỉ riêng sự đóng góp dao động có thể được phát hiện một cách chọn lọc bằng cách đo điện áp ngang (Hình 1, bên phải).

Hiệu ứng nhiệt điện đã được đo trong nhiều từ trường và ở nhiều nhiệt độ khác nhau, từ nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn là 2,4 kelvin (K) đến thấp nhất là 0,1 K (1/3000 của 300 K, ° Nhiệt độ phòng) , gần bằng không tuyệt đối. Điều này cho thấy rằng các dao động pha siêu dẫn vẫn tồn tại không chỉ trong vùng chất lỏng của từ thông (vùng màu đỏ sẫm trong Hình 2), trong đó các dao động pha siêu dẫn là rõ ràng nhất, mà còn tồn tại trên một vùng rộng của từ trường nhiệt độ xa hơn ra phía ngoài, tức là được coi là Vùng trạng thái bình thường, nơi tính siêu dẫn bị phá hủy (vùng có từ trường cao và nhiệt độ cao phía trên đường liền nét lồi phía trên trong Hình 2). Đáng chú ý, lần đầu tiên đường giao nhau giữa thăng giáng nhiệt (cổ điển) và lượng tử đã được phát hiện thành công (đường liền nét dày trong Hình 2).

Giá trị của từ trường khi đường giao nhau đạt đến độ không tuyệt đối có khả năng tương ứng với điểm tới hạn lượng tử nơi dao động lượng tử mạnh nhất và điểm đó (vòng tròn màu trắng trong Hình 2) rõ ràng nằm trong phạm vi từ trường nơi tồn tại trạng thái kim loại dị thường. Nó đã được quan sát thấy trong điện trở. Cho đến nay, sự tồn tại của điểm tới hạn lượng tử này vẫn chưa được phát hiện từ các phép đo điện trở.

Kết quả này cho thấy trạng thái kim loại dị thường trong từ trường ở độ không tuyệt đối trong chất siêu dẫn 2D, vẫn chưa được giải quyết trong 30 năm, phát sinh từ sự tồn tại của điểm tới hạn lượng tử. Nói cách khác, trạng thái kim loại dị thường là trạng thái cơ bản quan trọng lượng tử mở rộng để chuyển đổi từ chất siêu dẫn sang chất cách điện.

Phân nhánh

Các phép đo hiệu ứng nhiệt điện thu được đối với chất siêu dẫn vô định hình thông thường có thể được coi là dữ liệu tiêu chuẩn cho hiệu ứng nhiệt điện trên chất siêu dẫn, vì chúng ghi lại hiệu ứng dao động của chất siêu dẫn mà không có sự đóng góp của các electron ở trạng thái bình thường. Hiệu ứng nhiệt rất quan trọng khi ứng dụng vào các hệ thống điện lạnh, v.v. và cần phát triển các vật liệu có hiệu ứng nhiệt đáng kể ở nhiệt độ thấp để kéo dài nhiệt độ làm mát tối đa. Các hiệu ứng nhiệt điện lớn bất thường ở nhiệt độ thấp đã được báo cáo ở một số chất siêu dẫn và việc so sánh với dữ liệu hiện có có thể cung cấp manh mối về nguồn gốc của chúng.

Sự phát triển trong tương lai

Một trong những lợi ích học thuật được phát triển trong nghiên cứu này là làm rõ dự đoán lý thuyết rằng trong chất siêu dẫn 2D có hiệu ứng định vị mạnh hơn mẫu hiện tại, các đường từ thông sẽ ở trạng thái ngưng tụ lượng tử6. Trong tương lai, chúng tôi dự định xuất bản các thí nghiệm sử dụng các phương pháp của nghiên cứu này để tìm hiểu.

Kết quả nghiên cứu này đã được công bố trực tuyến trên Truyền thông thiên nhiên Vào ngày 16 tháng 3 năm 2024.

điều kiện

1. Biến động trong tính siêu dẫn: Độ bền của chất siêu dẫn không đồng đều và dao động theo thời gian và không gian. Việc xảy ra thăng giáng nhiệt là điều bình thường, nhưng ở gần độ không tuyệt đối, thăng giáng lượng tử xảy ra dựa trên nguyên lý bất định của cơ học lượng tử.
2. Hiệu ứng nhiệt: Tác dụng của trao đổi năng lượng nhiệt và điện. Một điện áp được tạo ra khi áp dụng chênh lệch nhiệt độ, trong khi chênh lệch nhiệt độ được tạo ra khi áp dụng điện áp. Cái trước đang được nghiên cứu để sử dụng làm thiết bị phát điện và cái sau làm thiết bị làm mát. Trong nghiên cứu này, nó được sử dụng như một cách để phát hiện những biến động trong tính siêu dẫn.
3. Tính siêu dẫn 2D: Chất siêu dẫn siêu mỏng. Khi độ dày trở nên nhỏ hơn khoảng cách giữa các cặp electron chịu trách nhiệm về tính siêu dẫn, hiệu ứng dao động trong chất siêu dẫn trở nên mạnh hơn và tính chất của chất siêu dẫn hoàn toàn khác với tính chất của chất siêu dẫn dày hơn.
4. Điểm tới hạn lượng tử, chuyển pha lượng tử: Sự chuyển pha xảy ra ở độ không tuyệt đối khi một tham số như từ trường bị thay đổi được gọi là sự chuyển pha lượng tử và được phân biệt với sự chuyển pha do thay đổi nhiệt độ. Điểm tới hạn lượng tử là điểm chuyển pha nơi diễn ra quá trình chuyển pha lượng tửS Chúng xảy ra ở nơi dao động lượng tử mạnh nhất.
5. Cấu trúc vô định hình: Cấu trúc của vật chất trong đó các nguyên tử được sắp xếp không đều và không có cấu trúc tinh thể.
6. Trạng thái lượng tử ngưng tụ: Tình trạng trong đó một số lượng lớn các hạt ở trạng thái năng lượng thấp nhất và hoạt động như một sóng vĩ mô đơn lẻ. Trong chất siêu dẫn, nhiều cặp electron được ngưng tụ. Helium lỏng cũng ngưng tụ khi được làm lạnh đến 2,17 K, tạo ra tính lưu động vượt trội và không bị dính.

Tham khảo: “Trạng thái cơ bản tới hạn lượng tử mở rộng trong màng mỏng siêu dẫn rối loạn” của Koichiro Inaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami và Satoshi Okuma, ngày 16 tháng 3 năm 2024, Truyền thông thiên nhiên.
doi: 10.1038/s41467-024-46628-7