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(noticias nanowerk) Un grupo de investigación del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech) ha demostrado con éxito débiles fluctuaciones en la superconductividad, un fenómeno precursor de la superconductividad. Este avance se logró midiendo el efecto termoeléctrico en superconductores en una amplia gama de campos magnéticos y en una amplia gama de temperaturas, desde mucho más altas que la temperatura de transición superconductora hasta temperaturas muy bajas cercanas al cero absoluto.
Esto reveló la imagen completa de las fluctuaciones de la superconductividad con respecto a la temperatura y el campo magnético, y demostró que el origen del estado metálico anómalo en los campos magnéticos, que ha sido un problema sin resolver en el campo de la superconductividad bidimensional durante 30 años, radica en la existencia de un punto crítico cuántico, donde las fluctuaciones cuánticas son más fuertes.
fondo
Un superconductor es un material en el que los electrones se emparejan a bajas temperaturas, lo que da como resultado una resistencia eléctrica nula. Se utiliza como material para electroimanes potentes en resonancias magnéticas médicas y otras aplicaciones. También se consideran pequeños elementos lógicos cruciales en las computadoras cuánticas que operan a temperaturas criogénicas, y existe la necesidad de dilucidar las propiedades de los superconductores a temperaturas criogénicas cuando se microminiaturizan.
Los superconductores bidimensionales atómicamente delgados se ven fuertemente afectados por las fluctuaciones y, por lo tanto, tienen propiedades que difieren significativamente de las de los superconductores más gruesos. Hay dos tipos de fluctuaciones: térmicas (clásicas), que son más pronunciadas a altas temperaturas, y fluctuaciones cuánticas, que son más importantes a temperaturas muy bajas. Estos últimos provocan una variedad de fenómenos interesantes.
Por ejemplo, cuando se aplica un campo magnético perpendicular a un superconductor bidimensional en el cero absoluto y se aumenta, se produce una transición de una superconductividad con resistencia cero a un aislante con electrones localizados. Este fenómeno se llama transición superconductor-aislante inducida por un campo magnético y es un ejemplo típico de transición de fase cuántica causada por fluctuaciones cuánticas.
Sin embargo, desde la década de 1990 se sabe que en muestras con efectos de localización relativamente débiles, se produce un estado metálico anómalo en la región media del campo magnético, donde la resistencia eléctrica es varios órdenes de magnitud menor que en el estado normal.
Se cree que el origen de este estado metálico anómalo es un estado líquido en el que las líneas de flujo magnético (Fig. 1 izquierda) que penetran en el superconductor se desvían debido a fluctuaciones cuánticas. Sin embargo, esta predicción no se confirmó porque la mayoría de los experimentos anteriores con superconductores bidimensionales utilizaron mediciones de resistencia eléctrica que examinaron la respuesta del voltaje a la corriente, lo que dificultaba distinguir entre las señales de voltaje que surgen del movimiento de las líneas de flujo magnético y las que surgen del El movimiento de las líneas de flujo magnético da como resultado la dispersión de electrones normalmente conductores.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor asistente Koichiro Ienaga y el profesor Satoshi Okuma del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de Tokyo Tech informó en Cartas de examen físico(“Criticidad cuántica dentro del estado metálico anómalo de una película delgada superconductora desordenada”) en 2020 que el movimiento cuántico de las líneas de flujo magnético en un estado metálico anómalo se produce aprovechando el efecto termoeléctrico, en el que se genera voltaje en relación con el flujo de calor ( temperatura) se convierte en (gradiente) en lugar de actual.
Sin embargo, para aclarar aún más el origen del estado metálico anómalo, es necesario dilucidar el mecanismo por el cual el estado superconductor es destruido por la fluctuación cuántica y las transiciones al estado normal (aislante). En este estudio, llevaron a cabo mediciones destinadas a detectar el estado de fluctuación superconductora (centro de la figura 1), que es un estado precursor de la superconductividad y se cree que existe en el estado normal.
Resultados de la investigacion
En este estudio (comunicación de la naturaleza“Estado fundamental cuántico crítico extendido en una película delgada superconductora desordenada”), un molibdeno-germanio (MoxGe1x) Se preparó y utilizó una película delgada con estructura amorfa, conocida como superconductor bidimensional con estructura y desorden uniforme. Tiene un espesor de 10 nanómetros (un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro) y promete los efectos de fluctuación característicos de los sistemas bidimensionales.
Dado que las señales de fluctuación no pueden detectarse mediante mediciones de resistencia eléctrica porque están ocultas en la señal de dispersión de electrones conductores normales, realizamos mediciones del efecto termoeléctrico que pueden detectar dos tipos de fluctuaciones: (1) fluctuaciones superconductoras (fluctuaciones en la amplitud de la superconductividad ). ) y (2) movimiento de la línea de flujo magnético (fluctuaciones en la fase de superconductividad). Cuando se aplica una diferencia de temperatura en la dirección longitudinal de la muestra, las fluctuaciones superconductoras y el movimiento de las líneas de flujo magnético crean un voltaje en la dirección transversal.
Por el contrario, el movimiento normal de los electrones produce voltaje principalmente en la dirección longitudinal. Especialmente en muestras como materiales amorfos donde los electrones no pueden moverse fácilmente, el voltaje generado por los electrones en la dirección transversal es insignificante, por lo que la contribución de la fluctuación por sí sola puede detectarse selectivamente midiendo el voltaje transversal (Fig. 1, derecha).
El efecto termoeléctrico se ha medido en varios campos magnéticos y a diversas temperaturas, desde muy por encima de la temperatura de transición superconductora de 2,4 K (Kelvin) hasta una temperatura muy baja de 0,1 K (1/3000 de 300 K, la temperatura ambiente). ), que está cerca del cero absoluto.
Esto muestra que las fluctuaciones superconductoras persisten no sólo en la región líquida del flujo magnético (región roja oscura en la Fig. 2), donde las fluctuaciones de la fase superconductora son más pronunciadas, sino también en una amplia región de campo magnético de temperatura más alejada, donde es Se supone que más lejos está la región del estado normal en la que se destruye la superconductividad (la región de alta temperatura y alto campo magnético sobre la línea sólida convexa superior en la Fig. 2).
Es de destacar que por primera vez se demostró con éxito la línea de cruce entre las fluctuaciones térmicas (clásicas) y las cuánticas (línea continua gruesa en la Fig. 2). El valor del campo magnético cuando la línea de cruce alcanza el cero absoluto probablemente corresponde al punto crítico cuántico donde las fluctuaciones cuánticas son más fuertes, y este punto (círculo blanco en la Fig. 2) está claramente dentro de la región del campo magnético en la que se produce una anomalía metálica. Se observó el estado presente en la resistencia eléctrica. Hasta ahora no ha sido posible demostrar la existencia de este punto crítico cuántico mediante mediciones de resistencia eléctrica.
Este resultado muestra que el estado metálico anómalo en un campo magnético en el cero absoluto en superconductores bidimensionales, que lleva 30 años sin resolverse, se debe a la existencia del punto crítico cuántico. En otras palabras, el estado metálico anómalo es un estado fundamental cuántico crítico extendido para la transición superconductor-aislante.
Influencia social
Las mediciones del efecto termoeléctrico de superconductores convencionales amorfos pueden considerarse datos estándar para el efecto termoeléctrico en superconductores porque solo capturan el efecto de las fluctuaciones en la superconductividad sin la contribución de electrones en estado normal.
El efecto termoeléctrico es importante en vista de su aplicación a sistemas de refrigeración eléctricos, etc., y existe la necesidad de desarrollar materiales que presenten un gran efecto termoeléctrico a bajas temperaturas para ampliar el límite de las temperaturas de refrigeración. Se han informado efectos termoeléctricos inusualmente grandes en ciertos superconductores a bajas temperaturas, y la comparación con los datos existentes puede proporcionar una pista sobre su origen.
Desarrollo futuro
De interés académico desarrollado en este estudio es la demostración de la predicción teórica de que en superconductores bidimensionales con efectos de localización más fuertes que en la presente muestra, las líneas de flujo magnético existirán en un estado cuántico condensado.[6]. En el futuro, planeamos realizar experimentos utilizando los métodos de este estudio para demostrarlo.
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