Резкое изменение в квантовом поведении бросает вызов современным теориям сверхпроводимости

Физики обнаружили резкое изменение в квантовом поведении, экспериментируя с изолятором толщиной в три атома, который можно легко превратить в сверхпроводник.

Исследование обещает улучшить понимание квантовой физики твердых тел в целом, а также продвинуть изучение квантовой физики конденсированного состояния и сверхпроводимости в потенциально новых направлениях. Результаты были недавно опубликованы в научном журнале Nature Physics.

Исследователи под руководством Санфэна Ву, доцента кафедры физики Принстонского университета, обнаружили, что внезапное прекращение (или «смерть») квантово-механических флуктуаций демонстрирует ряд уникальных квантовых поведений и свойств, которые, по-видимому, лежат за пределами устоявшихся теорий.

Флуктуации — это временные случайные изменения термодинамического состояния материала, находящегося на грани фазового перехода. Известный пример фазового перехода — плавление льда в воду. В новом эксперименте ученые исследовали флуктуации, возникающие в сверхпроводнике при температурах, близких к абсолютному нулю.

«То, что мы обнаружили, непосредственно наблюдая за квантовыми флуктуациями вблизи перехода, было явным свидетельством нового квантового фазового перехода, который не подчиняется стандартным теоретическим описаниям, известным в этой области», — сказал Ву. «Как только мы поймем этот феномен, мы думаем, что существует реальная возможность появления новой захватывающей теории».

Квантовые фазы и сверхпроводимость

В физическом мире фазовые переходы происходят, когда материал, такой как жидкость, газ или твердое тело, переходит из одного состояния или формы в другое. Но фазовые переходы происходят и на квантовом уровне.

Исследователей особенно интересует, как происходят квантовые фазовые переходы в сверхпроводниках — материалах, которые проводят электричество без сопротивления.

«Как одна сверхпроводящая фаза может быть заменена другой — это интригующая область исследований», — сказал Санфэн Ву. «И нас уже некоторое время интересует эта проблема атомарно тонких, чистых и монокристаллических материалов».

Сверхпроводимость возникает, когда электроны объединяются в пары и текут синхронно, без сопротивления и без рассеивания энергии. Обычно электроны перемещаются по цепям и проводам хаотично, толкая друг друга таким образом, что в конечном итоге это приводит к потере энергии. Но в сверхпроводящем состоянии электроны действуют согласованно, обеспечивая энергоэффективность.

Сверхпроводимость известна с 1911 года, хотя то, как и почему она работает, оставалось загадкой до 1956 года, когда квантовая механика начала проливать свет на это явление. Но только в последнее десятилетие сверхпроводимость стала изучаться в чистых, атомарно тонких двумерных материалах. Ведь долгое время считалось, что сверхпроводимость невозможна в двумерном мире.

«Это произошло потому, что по мере перехода в более низкие измерения флуктуации становятся настолько сильными, что «убивают» любую возможность сверхпроводимости», — говорят ученые.

Основной способ, которым флуктуации разрушают двумерную сверхпроводимость, — это спонтанное возникновение так называемого квантового вихря. Каждый вихрь напоминает крошечный водоворот, состоящий из микроскопической нити магнитного поля, запертой внутри закрученного электронного потока. При повышении температуры образца выше определенной температуры вихри самопроизвольно возникают парами: вихри и антивихри. Их быстрое движение разрушает сверхпроводящее состояние.

Физики теперь знают, что сверхпроводимость в сверхтонких пленках действительно существует ниже определенной критической температуры, известной как переход БКТ, названный в честь физиков Вадима Березинского, Джона Костерлица и Дэвида Таулесса. Теория БКТ широко рассматривается как успешное описание того, как квантовые вихри распространяются в двумерных сверхпроводниках и разрушают сверхпроводимость. Теория применима, когда сверхпроводящий переход вызван нагреванием образца.

Текущий эксперимент

Вопрос о том, как можно разрушить двумерную сверхпроводимость без повышения температуры, является активной областью исследований в области сверхпроводимости и фазовых переходов. При температурах, близких к абсолютному нулю, квантовый переход индуцируется квантовыми флуктуациями. В этом сценарии переход отличается от температурного перехода БКТ.

Исследователи начали с объемного кристалла дителлурида вольфрама (WTe2), который классифицируется как слоистый полуметалл. Исследователи начали с преобразования дителлурида вольфрама в двумерный материал путем постепенного отшелушивания или отслаивания материала до одного слоя толщиной в атом. На этом уровне толщины материал ведет себя как очень прочный изолятор, а это означает, что его электроны имеют ограниченное движение и, следовательно, не могут проводить электричество.

Удивительно, но исследователи обнаружили, что этот материал демонстрирует множество новых квантовых свойств, таких как переключение между изолирующей и сверхпроводящей фазами. Они смогли контролировать такое поведение при переключении, создав устройство, которое функционирует как переключатель «вкл. и выкл.».

Но это был только первый шаг. Затем исследователи подвергли материал двум важным условиям. Первое, что они сделали, — охладили дителлурид вольфрама до исключительно низких температур, примерно до 50 милликельвинов (мК) выше абсолютного нуля.

Пятьдесят милликельвинов — это -273,10 градусов по Цельсию, невероятно низкая температура, при которой преобладают квантово-механические эффекты.

Затем ученые превратили материал из изолятора в сверхпроводник, введя в него несколько дополнительных электронов. Для достижения сверхпроводящего состояния не требовалось большого напряжения. «Даже небольшое напряжение может превратить материал из изолятора в сверхпроводник», — сказал Тяньчэн Сун, ведущий автор статьи. «Это действительно замечательный эффект».

Исследователи обнаружили, что они могут точно контролировать свойства сверхпроводимости, регулируя плотность электронов в материале с помощью напряжения. При критической плотности электронов квантовые вихри быстро распространяются и разрушают сверхпроводимость, вызывая квантовый фазовый переход.

Чтобы обнаружить присутствие этих квантовых вихрей, исследователи создали на образце крошечный температурный градиент, сделав одну сторону дителлурида вольфрама немного теплее, чем другую. «Вихри стремятся к более прохладному краю. При температурном градиенте все вихри в образце дрейфуют к более холодной части, поэтому мы создали реку вихрей, текущую от более теплой части к более холодной» — говорят ученые.

Поток вихрей генерирует обнаруживаемый сигнал напряжения в сверхпроводнике. Это связано с эффектом, названным в честь лауреата Нобелевской премии по физике Брайана Джозефсона, чья теория предсказывает, что всякий раз, когда поток вихрей пересекает линию, проведенную между двумя электрическими контактами, они генерируют слабое поперечное напряжение, которое можно обнаружить с помощью нановольтового датчика.

«Мы можем убедиться, что это эффект Джозефсона; если вы поменяете магнитное поле, обнаруженное напряжение изменится на противоположное» — говорит Санфэн Ву. «Это очень специфический признак вихревого потока. Прямое обнаружение этих движущихся вихрей дает нам экспериментальный инструмент для измерения квантовых флуктуаций в образце, чего иначе трудно достичь».

Удивительные квантовые явления

Как только авторы смогли измерить эти квантовые флуктуации, они обнаружили ряд неожиданных явлений. Первым сюрпризом стала удивительная устойчивость вихрей. Эксперимент показал, что эти вихри сохраняются при гораздо более высоких температурах и магнитных полях, чем ожидалось. Они выживают при температурах и полях, значительно превышающих сверхпроводящую фазу, в резистивной фазе материала.

Второй большой сюрприз заключается в том, что вихревой сигнал внезапно исчез, когда плотность электронов была чуть ниже критического значения, при котором происходит квантовый фазовый переход сверхпроводящего состояния. При этом критическом значении электронной плотности, которое исследователи называют квантовой критической точкой (QCP), которая представляет собой точку с нулевой температурой на фазовой диаграмме, квантовые флуктуации приводят к фазовому переходу.

«Мы ожидали, что сильные флуктуации будут сохраняться ниже критической плотности электронов на несверхпроводящей стороне, точно так же, как сильные флуктуации, наблюдаемые значительно выше температуры перехода БКТ», — говорят ученые. «Тем не менее, мы обнаружили, что вихревые сигналы «внезапно» исчезают в тот момент, когда достигается критическая плотность электронов. И это было шоком. Мы вообще не можем объяснить это наблюдение — «внезапную смерть» колебаний. Другими словами, мы открыли новый тип квантовой критической точки, но не понимаем ее».

В области физики конденсированного состояния в настоящее время существуют две устоявшиеся теории, объясняющие фазовые переходы сверхпроводника: теория Гинзбурга-Ландау и теория БКТ. Однако исследователи обнаружили, что ни одна из этих теорий не объясняет наблюдаемые явления.

«Нам нужна новая теория, чтобы описать, что происходит в этом случае, — сказал Санфэн Ву, — и мы надеемся заняться этим в будущих работах, как теоретически, так и экспериментально».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.