Der „plötzliche Tod“ von Quantenfluktuationen stellt aktuelle Theorien zur Supraleitung in Frage

Physiker der Princeton University entdeckten eine überraschende Veränderung im Quantenverhalten, als sie mit einem drei Atome dicken Isolator experimentierten, der leicht in einen Supraleiter umgewandelt werden kann.

Die Forschung verspricht, unser Verständnis der Quantenphysik in Festkörpern im Allgemeinen zu verbessern und die Erforschung der Quantenphysik der kondensierten Materie und der Supraleitung in potenziell neue Richtungen voranzutreiben. Die Ergebnisse Es wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik In einem Artikel mit dem Titel „Unkonventionelle supraleitende Quantenkritikalität in Monoschicht-WTe₂„.

Die Forscher unter der Leitung von Sanfeng Wu, einem Assistenzprofessor für Physik an der Princeton University, fanden heraus, dass das plötzliche Stoppen (oder „Tod“) quantenmechanischer Fluktuationen eine Reihe einzigartiger Quantenverhaltensweisen und -eigenschaften aufweist, die außerhalb des etablierten Bereichs zu liegen scheinen Theorien. .

Fluktuationen sind vorübergehende zufällige Änderungen im thermodynamischen Zustand eines Stoffes, der kurz vor einem Phasenübergang steht. Ein bekanntes Beispiel für einen Phasenübergang ist das Schmelzen von Eis zu Wasser. Das Princeton-Experiment untersuchte Schwankungen, die in einem Supraleiter bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt auftreten.

„Was wir durch die direkte Betrachtung der Quantenfluktuationen in der Nähe des Übergangs fanden, war ein klarer Beweis für einen neuen Quantenphasenübergang, der gegen die auf diesem Gebiet bekannten theoretischen Standardbeschreibungen verstößt“, sagte Wu. „Sobald wir dieses Phänomen verstehen, glauben wir, dass es echtes Potenzial für die Entstehung einer neuen und aufregenden Theorie gibt.“

Quantenphasen und Supraleitung

In der physikalischen Welt treten Phasenübergänge auf, wenn eine Substanz wie eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Feststoff von einem Zustand oder einer anderen Form in einen anderen übergeht. Aber auch auf der Quantenebene finden Phasenübergänge statt. Diese Änderungen treten bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) auf und erfordern die ständige Anpassung einiger externer Faktoren wie Druck oder Magnetfeld, ohne die Temperatur zu erhöhen.

Die Forscher interessieren sich insbesondere dafür, wie Quantenphasenübergänge in Supraleitern ablaufen, also Materialien, die Strom ohne Widerstand leiten. Supraleiter können den Informationsfluss beschleunigen und bilden die Grundlage für starke Magnete, die im Gesundheitswesen und im Transportwesen eingesetzt werden.

„Wie eine supraleitende Phase in eine andere umgewandelt werden kann, ist ein interessantes Forschungsgebiet“, sagte Wu. „Wir interessieren uns schon seit einiger Zeit für dieses Problem bei dünnen, sauberen, einkristallinen Materialien.“

Supraleitung entsteht, wenn sich Elektronen paaren und gemeinsam ohne Widerstand und ohne Energieverlust fließen. Normalerweise bewegen sich Elektronen auf unregelmäßige Weise durch Schaltkreise und Drähte und kollidieren auf letztendlich ineffiziente Weise miteinander, was Energie verschwendet. Doch in der Supraleitung arbeiten die Elektronen energieeffizient zusammen.

Supraleitung ist seit 1911 bekannt, doch wie und warum sie funktioniert, blieb weitgehend ein Rätsel, bis 1956 die Quantenmechanik begann, Licht auf das Phänomen zu werfen. Aber Supraleitung wurde erst im letzten Jahrzehnt oder so in sauberen, atomar dünnen, zweidimensionalen Materialien untersucht. Tatsächlich galt Supraleitung lange Zeit als unmöglich in einer 2D-Welt.

sagte N „Dies geschah, weil die Fluktuationen beim Übergang in niedrigere Dimensionen so stark werden, dass sie jede Möglichkeit einer Supraleitung zunichte machen“, sagte Fuan Ong, Professor für Physik an der Princeton University und Autor des Artikels.

Die Hauptursache für die Zerstörung der zweidimensionalen Supraleitung durch Fluktuationen ist das spontane Auftreten sogenannter Quantenwirbel (Plural: Wirbel).

Jeder Wirbel ähnelt einem kleinen Wirbel, der aus einem mikroskopisch kleinen Magnetfeldstreifen besteht, der in einem sich bewegenden Elektronenstrom gefangen ist. Wenn die Probe eine bestimmte Temperatur überschreitet, treten spontan paarweise Wirbel auf: Wirbel und Antiwirbel. Ihre schnelle Bewegung zerstört den supraleitenden Zustand.

„Der Wirbel ist wie ein Whirlpool“, sagte Ong. „Sie sind Quantenversionen des Wirbels, der entsteht, wenn man eine Badewanne entleert.“

Physiker wissen jetzt, dass Supraleitung in ultradünnen Filmen tatsächlich unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur existiert, die als BKT-Übergang bekannt ist und nach den Physikern der kondensierten Materie Vadim Berezinsky, John Kosterlitz und David Thewlis benannt ist. Die beiden letztgenannten teilten sich den Nobelpreis für Physik 2016 mit dem Physiker F. Duncan Haldane, Professor für Physik an der Sherman Fairchild University.

Die BKT-Theorie wird weithin als erfolgreiche Beschreibung dafür angesehen, wie sich Quantenwirbel in 2D-Supraleitern vervielfachen und die Supraleitung zerstören können. Die Theorie gilt, wenn der Übergang zur Supraleitung durch Erhitzen der Probe induziert wird.

Aktuelle Erfahrung

Die Frage, wie man 2D-Supraleitung zerstören kann, ohne die Temperatur zu erhöhen, ist ein Bereich aktiver Forschung in den Bereichen Supraleitung und Phasenübergänge. Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erfolgt die Quantenschaltung über Quantenfluktuationen. In diesem Szenario unterscheidet sich der Übergang vom temperaturinduzierten BKT-Übergang.

Die Forscher begannen mit einem riesigen Kristall aus Wolframditellurid (WTe₂), das als geschichtetes Halbmetall klassifiziert wird. Die Forscher begannen damit, Wolframditellurid in ein 2D-Material umzuwandeln, indem sie das Material schrittweise bis auf eine einzelne atomdünne Schicht abschälten.

Bei dieser Dicke verhält sich das Material wie ein sehr starker Isolator, was bedeutet, dass seine Elektronen nur eine begrenzte Beweglichkeit haben und daher keinen Strom leiten können. Überraschenderweise stellten die Forscher fest, dass das Material eine Reihe neuer Quantenverhaltensweisen aufweist, beispielsweise den Wechsel zwischen isolierenden und supraleitenden Phasen. Sie konnten dieses Schaltverhalten kontrollieren, indem sie ein Gerät bauten, das genau wie ein „Ein/Aus“-Schalter funktionierte.

Aber das war nur der erste Schritt. Als nächstes setzten die Forscher das Material zwei wichtigen Bedingungen aus. Als Erstes kühlten sie das Wolframditellurid auf außergewöhnlich niedrige Temperaturen von etwa 50 Millikelvin (mK) ab.

Fünfzig Millikelvin sind -273,10 Grad Celsius (oder -459,58 Grad Fahrenheit), eine unglaublich niedrige Temperatur, bei der quantenmechanische Effekte dominieren.

Anschließend wandelten die Forscher das Material von einem Isolator in einen Supraleiter um, indem sie einige zusätzliche Elektronen in das Material einführten. Es war kein großer Aufwand erforderlich, um den supraleitenden Zustand zu erreichen. „Nur eine kleine Gate-Spannung kann das Material von einem Isolator in einen Supraleiter verwandeln“, sagte Tianqing Song, Postdoktorand in Physik und Hauptautor der Studie. „Das ist ein wirklich cooler Effekt.“

Die Forscher fanden heraus, dass sie die Eigenschaften der Supraleitung präzise steuern konnten, indem sie die Elektronendichte im Material über die Gate-Spannung regulierten. Bei einer kritischen Elektronendichte vervielfachen sich Quantenwirbel schnell und zerstören die Supraleitung, wodurch ein Quantenphasenübergang ausgelöst wird.

Um das Vorhandensein dieser Quantenwirbel nachzuweisen, erzeugten die Forscher einen kleinen Temperaturgradienten in der Probe, wodurch eine Seite des Wolframditellurids etwas wärmer wurde als die andere. „Die Wirbel suchen nach der kühleren Kante“, sagte Ong. „Bei einem thermischen Gradienten driften alle Wirbel in der Probe in den kühleren Teil, sodass Sie einen Fluss von Wirbeln erzeugt haben, der vom wärmeren Teil zum kühleren Teil fließt.“

Die Wirbelströmung erzeugt im Supraleiter ein erkennbares Spannungssignal. Dies ist auf einen Effekt zurückzuführen, der nach dem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Physiker Brian Josephson benannt ist. Seine Theorie besagt, dass ein Wirbelstrom, der eine zwischen zwei elektrischen Leitern gezogene Linie kreuzt, eine schwache Querspannung erzeugt, die im Nanovoltbereich gemessen werden kann. Meter.

„Wir können bestätigen, dass es sich hierbei um den Josephson-Effekt handelt; wenn man das Magnetfeld umkehrt, kehrt sich die gemessene Spannung um“, sagte Ong.

„Dies ist eine sehr spezifische Signatur eines Wirbelstroms“, fügte Wu hinzu. „Der direkte Nachweis dieser sich bewegenden Wirbel gibt uns ein experimentelles Werkzeug zur Messung von Quantenfluktuationen in einer Probe, was sonst schwer zu erreichen wäre.“

Erstaunliche Quantenphänomene

Nachdem Forscher diese Quantenfluktuationen messen konnten, entdeckten sie eine Reihe unerwarteter Phänomene. Die erste Überraschung war die erstaunliche Kraft der Wirbel. Das Experiment zeigte, dass diese Wirbel bei Temperaturen und Magnetfeldern bestehen bleiben, die viel höher sind als erwartet. Sie überleben bei Temperaturen und Bereichen, die viel höher sind als die supraleitende Phase, die Widerstandsphase der Materie.

Die zweite große Überraschung besteht darin, dass das Wirbelsignal plötzlich verschwand, als die Elektronendichte unter den kritischen Wert eingestellt wurde, bei dem der Quantenphasenübergang des supraleitenden Zustands auftritt. Bei diesem kritischen Wert der Elektronendichte, den Forscher den quantenkritischen Punkt (QCP) nennen, der einen Punkt bei Nulltemperatur im Phasendiagramm darstellt, treiben Quantenfluktuationen den Phasenübergang an.

„Wir erwarteten anhaltend starke Schwankungen unterhalb der kritischen Elektronendichte auf der nicht supraleitenden Seite, genau wie die starken Schwankungen deutlich oberhalb der BKT-Übergangstemperatur“, sagte Wu.

„Was wir jedoch herausgefunden haben, ist, dass die Wirbelsignale ‚plötzlich‘ verschwinden, sobald die kritische Elektronendichte überschritten wird. Das war ein Schock. Wir können diese Beobachtung überhaupt nicht erklären – den ‚plötzlichen Tod‘ der Fluktuationen.“

„Mit anderen Worten, wir haben einen neuen Typ eines quantenkritischen Punkts entdeckt, aber wir verstehen ihn nicht“, fügte Ong hinzu.

Im Bereich der Festkörperphysik gibt es derzeit zwei gut etablierte Theorien zur Erklärung von Supraleiter-Phasenübergängen: die Ginzburg-Landau-Theorie und die BKT-Theorie. Allerdings stellten die Forscher fest, dass keine dieser Theorien die beobachteten Phänomene erklären kann.

„Wir brauchen eine neue Theorie, um zu beschreiben, was in diesem Fall passiert, und wir hoffen, dies in zukünftigen Arbeiten sowohl theoretisch als auch experimentell anzugehen“, sagte Wu.