De ‘plotselinge dood’ van kwantumfluctuaties daagt de huidige theorieën over supergeleiding uit

Natuurkundigen van de Universiteit van Princeton ontdekten een verrassende verandering in het kwantumgedrag terwijl ze experimenteerden met een isolator van drie atomen dik die gemakkelijk in een supergeleider kan worden omgezet.

Het onderzoek belooft ons begrip van de kwantumfysica in vaste stoffen in het algemeen te vergroten, en de studie van de kwantumfysica van de gecondenseerde materie en supergeleiding in potentieel nieuwe richtingen te duwen. de resultaten Het werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica In een artikel getiteld “Unconventional superconducting quantum criticality in monolayer WTe₂“.

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

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

“Wat we ontdekten, door rechtstreeks naar kwantumfluctuaties nabij de transitie 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, geloven we dat er een reëel potentieel is voor een opwindende nieuwe theorie.”

Kwantumfasen en supergeleiding

In de fysieke wereld vinden faseovergangen plaats wanneer een substantie, zoals een vloeistof, gas of vaste stof, van de ene toestand of vorm naar de andere verandert. Maar faseovergangen vinden ook op kwantumniveau plaats. Deze veranderingen vinden plaats bij temperaturen die het absolute nulpunt (-273,15°C) naderen, en omvatten het voortdurend aanpassen van een externe factor, 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 de ene supergeleidende fase in een andere kan worden veranderd, is een interessant studiegebied”, zei Wu. “We zijn al een tijdje geïnteresseerd in dit probleem bij dunne, schone, enkelkristallijne materialen.”

Supergeleiding treedt op wanneer elektronen paren en samen stromen zonder weerstand en zonder energie te dissiperen. Normaal gesproken bewegen elektronen op een onregelmatige manier door circuits en draden en botsen ze met elkaar op een uiteindelijk inefficiënte manier die energie verspilt. Maar bij supergeleiding werken de elektronen op een energie-efficiënte manier samen.

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 supergeleiding is pas de afgelopen tien jaar onderzocht in schone, atomair dunne, tweedimensionale materialen. Lange tijd werd gedacht dat supergeleiding onmogelijk was in een 2D-wereld.

zei N “Dit gebeurde omdat wanneer je naar lagere dimensies gaat, de fluctuaties zo sterk worden dat ze elke mogelijkheid van supergeleiding tenietdoen”, zegt Fuan Ong, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Princeton en auteur van het artikel.

De belangrijkste manier waarop fluctuaties de 2D-supergeleiding vernietigen is het spontaan verschijnen van zogenaamde kwantumwervelingen (meervoud: wervels).

Elke vortex lijkt op een kleine vortex die bestaat uit een microscopisch kleine strook magnetisch veld gevangen in een bewegende elektronenstroom. Wanneer het monster boven een bepaalde temperatuur wordt gebracht, verschijnen er spontaan wervels in paren: wervels en antivortices. Hun snelle beweging vernietigt de supergeleidende staat.

“De draaikolk is als een draaikolk,” zei Ong. “Het zijn kwantumversies van de draaikolk die verschijnt als je een badkuip leeg laat lopen.”

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

De BKT-theorie wordt algemeen gezien als een succesvolle beschrijving van hoe kwantumwervelingen in 2D-supergeleiders zich kunnen vermenigvuldigen en supergeleiding kunnen vernietigen. De theorie is van toepassing wanneer de supergeleidingsovergang wordt geïnduceerd door het monster te verwarmen.

Huidige ervaring

De vraag hoe 2D-supergeleiding kan worden vernietigd zonder de temperatuur te verhogen, is een gebied van actief onderzoek op het gebied van supergeleiding en faseovergangen. Bij temperaturen nabij het absolute nulpunt vindt kwantumschakeling plaats via kwantumfluctuaties. In dit scenario verschilt de transitie van de temperatuurgeïnduceerde BKT-transitie.

De onderzoekers begonnen met een enorm kristal van wolfraamditelluride (WTe₂), dat is geclassificeerd als een gelaagd halfmetaal. De onderzoekers begonnen met het omzetten van wolfraamditelluride in een 2D-materiaal door het materiaal stapsgewijs 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 mobiliteit hebben en daarom geen elektriciteit kunnen geleiden. Verrassend genoeg ontdekten de onderzoekers dat het materiaal een reeks nieuwe kwantumgedragingen vertoont, zoals het schakelen tussen isolerende en supergeleidende fasen. Dit schakelgedrag konden ze beheersen door een apparaat te bouwen dat net als een ‘aan/uit’-schakelaar werkte.

Maar dit was slechts de eerste stap. Vervolgens onderwierpen de onderzoekers het materiaal 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 graden Celsius (of -459,58 graden Fahrenheit), een ongelooflijk lage temperatuur waarbij kwantummechanische effecten domineren.

Vervolgens hebben de onderzoekers het materiaal omgezet van een isolator naar een supergeleider door wat extra elektronen in het materiaal te introduceren. Het kostte niet veel moeite om de supergeleidende toestand te bereiken. “Slechts een kleine hoeveelheid poortspanning kan het materiaal van een isolator in een supergeleider veranderen”, zegt Tianqing Song, een postdoctoraal onderzoeker in de natuurkunde en hoofdauteur van het onderzoek. “Dit is een heel cool effect.”

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

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

De wervelstroom genereert een detecteerbaar spanningssignaal in de supergeleider. Dit komt door een effect dat vernoemd is naar de Nobelprijswinnende natuurkundige Brian Josephson, wiens theorie voorspelt dat wanneer een stroom draaikolken een lijn tussen twee elektrische geleiders kruist, deze een zwakke transversale spanning genereert, die kan worden gedetecteerd door nanovolts. 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 eraan toe. “Het direct detecteren van deze bewegende wervels geeft ons een experimenteel hulpmiddel om kwantumfluctuaties in een monster te meten, wat anders moeilijk te bereiken is.”

Verbazingwekkende kwantumverschijnselen

Toen onderzoekers deze kwantumfluctuaties eenmaal konden meten, ontdekten ze een reeks onverwachte verschijnselen. De eerste verrassing was de verbazingwekkende kracht van de vortexen. Het experiment toonde aan dat deze wervelingen aanhouden bij temperaturen en magnetische velden die veel hoger zijn dan verwacht. Ze overleven bij temperaturen en bereiken die veel hoger zijn dan de supergeleidende fase, de resistieve fase van materie.

De tweede grote verrassing is dat het vortexsignaal plotseling verdween toen de elektronendichtheid beneden de kritische waarde werd ingesteld waarbij de kwantumfase-overgang van de supergeleidende toestand plaatsvindt. Bij deze kritische waarde van de elektronendichtheid, die onderzoekers het kwantumkritische punt (QCP) noemen, dat een punt bij nul temperatuur in het fasediagram vertegenwoordigt, drijven kwantumfluctuaties de faseovergang aan.

“We verwachtten aanhoudende sterke fluctuaties onder de kritische elektronendichtheid aan de niet-supergeleidende kant, net als de sterke fluctuaties die we ruim boven de BKT-overgangstemperatuur zagen”, zei Wu.

“Wat we echter ontdekten is dat de vortexsignalen 'plotseling' verdwijnen zodra de kritische elektronendichtheid wordt overschreden. Dit was een schok. We kunnen deze waarneming helemaal niet verklaren: de 'plotselinge dood' van fluctuaties.”

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

Op het gebied van de fysica van de gecondenseerde materie zijn er momenteel twee gevestigde theorieën die faseovergangen van supergeleiders 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 gebeurt, en dit is iets dat we hopen aan te pakken in toekomstig werk, zowel theoretisch als experimenteel,” zei Wu.