Los investigadores de Tokyo Tech identifican el punto crítico cuántico en los superconductores, resolviendo un misterio de tres décadas de antigüedad y mejorando la comprensión de las fluctuaciones de la superconductividad. Crédito: SciTechDaily.com

El efecto termoeléctrico revela una imagen completa de las fluctuaciones de la superconductividad.

Débiles fluctuaciones en la superconductividad,^[1] un fenómeno precursor de la superconductividad, fueron detectados con éxito por un grupo de investigación del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech). Este avance se logró midiendo el efecto termoeléctrico^[2] en superconductores en una amplia gama de campos magnéticos y una amplia gama de temperaturas, desde mucho más altas que la temperatura de transición superconductora hasta temperaturas muy bajas cercanas a cero absoluto.

Esto reveló el panorama completo 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.^[3] durante 30 años, es la existencia de un punto crítico cuántico^[4] donde las fluctuaciones cuánticas son más fuertes.

Entendiendo los superconductores

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 cruciales como pequeños elementos lógicos en computadoras cuánticas que funcionan 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, exhiben 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 cuánticas, que son más importantes a temperaturas muy bajas, la última de las cuales provoca 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 de 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.^[4] causado por fluctuaciones cuánticas.

Figura 1. (Izquierda) En un campo magnético de magnitud moderada, las líneas de flujo magnético penetran en forma de defectos acompañados de vórtices de corrientes superconductoras. (Centro) Diagrama conceptual del estado de “fluctuación superconductora”, precursora de la superconductividad. Se forman regiones superconductoras similares a burbujas, espacialmente no uniformes y que varían en el tiempo. (Derecha) Diagrama esquemático de la medición del efecto termoeléctrico. El movimiento de la línea de flujo magnético y las fluctuaciones superconductoras generan un voltaje perpendicular al flujo de calor (gradiente de temperatura). Crédito: Koichiro Ienaga

Sin embargo, desde la década de 1990 se sabe que para muestras con efectos de localización relativamente débiles, aparece un estado metálico anómalo en la región media del campo magnético, donde la resistencia eléctrica es varios órdenes de magnitud menor que 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 mueven debido a fluctuaciones cuánticas.

Sin embargo, esta predicción no ha sido corroborada porque la mayoría de los experimentos anteriores con superconductores bidimensionales han utilizado mediciones de resistividad eléctrica que examinan la respuesta del voltaje a la corriente, lo que dificulta distinguir entre señales de voltaje que se originan en el movimiento de líneas de flujo magnético y aquellas que se originan en de la dispersión de electrones de conducción normal.

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 revisión física En 2020, el movimiento cuántico de las líneas de flujo magnético se produce en un estado metálico anómalo mediante el efecto termoeléctrico, en el que se genera voltaje con respecto al flujo de calor (gradiente de temperatura) en lugar de corriente.

Sin embargo, para aclarar mejor 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, realizaron 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.

Figura 2. La imagen completa de las fluctuaciones en la superconductividad se reveló en un amplio rango de campo magnético y un amplio rango de temperatura, desde mucho más alta que la temperatura de transición superconductora hasta una temperatura muy baja de 0,1 K. La existencia de una línea de cruce entre térmicas ( clásico) y las fluctuaciones cuánticas de temperatura se demuestran por primera vez, y el punto crítico cuántico donde esta línea alcanza el cero absoluto existe dentro de la región metálica anómala. Crédito: Koichiro Ienaga

Logros y técnicas de investigación.

En este estudio, un molibdeno-germanio (Mo_XGe_1-X) película delgadaEs con una estructura amorfa,^[5] Se fabricó y utilizó el conocido como superconductor bidimensional con estructura y desorden uniformes. Tiene un espesor de 10 nanómetros (un nanómetro equivale a una milmillonésima parte de un metro) y promete tener los efectos de fluctuación característicos de los sistemas bidimensionales.

Dado que las señales de fluctuación no pueden detectarse mediante mediciones de resistividad eléctrica porque están enterradas en la señal de dispersión de electrones de conducción normal, 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 generan un voltaje en la dirección transversal. Por el contrario, el movimiento normal de los electrones genera tensión principalmente en dirección longitudinal. Especialmente en muestras como materiales amorfos, donde los electrones no se mueven 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, a la derecha). .

El efecto termoeléctrico se ha medido en una variedad de campos magnéticos y en una variedad de temperaturas que van desde mucho más alta que la temperatura de transición superconductora de 2,4 K (Kelvin) hasta una temperatura muy baja de 0,1 K (1/3000 de 300 K, en temperatura ambiente), que está cerca del cero absoluto. Esto revela que las fluctuaciones superconductoras sobreviven no sólo en la región de flujo magnético neto (región de color rojo oscuro en la Fig. 2), donde las fluctuaciones de fase superconductoras son más pronunciadas, sino también en una amplia región de temperatura de campo magnético más externa que se considera la región del estado normal, donde se destruye la superconductividad (la región de alta temperatura y alto campo magnético sobre la línea sólida convexa superior en la Fig. 2). Sorprendentemente, la línea de cruce entre las fluctuaciones térmicas (clásicas) y las cuánticas se detectó con éxito por primera vez (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 ubicado dentro del rango del campo magnético donde se produce una anomalía. Se observó estado metálico en la resistencia eléctrica. Hasta ahora no había sido posible detectar la existencia de este punto crítico cuántico a partir de mediciones de resistividad eléctrica.

Este resultado revela que el estado metálico anómalo en un campo magnético en el cero absoluto en superconductores bidimensionales, que permaneció sin resolver durante 30 años, se origina en la existencia del punto crítico cuántico. En otras palabras, el estado metálico anómalo es un estado fundamental cuántico crítico expandido para la transición superconductor-aislante.

Trascendencia

Las mediciones del efecto termoeléctrico obtenidas para superconductores amorfos convencionales pueden considerarse datos estándar para el efecto termoeléctrico en superconductores, ya que capturan puramente el efecto de las fluctuaciones en la superconductividad sin la contribución de electrones en el estado normal. El efecto termoeléctrico es importante en términos de su aplicación en 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 enfriamiento. Se han informado efectos termoeléctricos anormalmente grandes a bajas temperaturas en ciertos superconductores, y la comparación con los datos actuales puede proporcionar una pista sobre su origen.

Desarrollo futuro

De interés académico que se desarrollará en este estudio es demostrar la predicción teórica de que en superconductores bidimensionales con efectos de localización más fuertes que la presente muestra, las líneas de flujo magnético estarán en un estado cuántico condensado6. En el futuro, planeamos implementar experimentos utilizando los métodos de este estudio con el objetivo de detectarlos.

Los resultados de este estudio fueron publicados en línea en Comunicaciones de la naturaleza el 16 de marzo de 2024.

Términos

1. Fluctuaciones en la superconductividad: La fuerza de la superconductividad no es uniforme y fluctúa en el tiempo y el espacio. Es normal que se produzcan fluctuaciones térmicas, pero cerca del cero absoluto se producen fluctuaciones cuánticas basadas en el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica.
2. Efecto termoeléctrico: Un efecto de intercambio de energía térmica y eléctrica. Se genera un voltaje cuando se aplica una diferencia de temperatura, mientras que se produce una diferencia de temperatura cuando se aplica un voltaje. El primero está en estudio para su aplicación como dispositivo de generación de energía y el segundo como dispositivo de refrigeración. En este estudio, se utiliza como método para detectar fluctuaciones en la superconductividad.
3. Superconductividad bidimensional: Un superconductor muy delgado. Cuando el espesor se vuelve más delgado que la distancia entre los pares de electrones responsables de la superconductividad, el efecto de las fluctuaciones de la superconductividad se vuelve más fuerte y las propiedades de los superconductores son muy diferentes de las de los superconductores más gruesos.
4. Punto crítico cuántico, transición de fase cuántica: Una transición de fase que ocurre en el cero absoluto cuando se cambia un parámetro como un campo magnético se llama transición de fase cuántica y se distingue de una transición de fase causada por un cambio de temperatura. El punto crítico cuántico es el punto de transición de fase donde se produce una transición de fase cuántica.Es ocurren y donde las fluctuaciones cuánticas son más fuertes.
5. Estructura amorfa: Estructura material en la que los átomos están dispuestos de forma irregular y que no tiene estructura cristalina.
6. Estado condensado cuántico: Un estado en el que una gran cantidad de partículas caen en el estado de menor energía y se comportan como una onda macroscópica singular. En el estado superconductor se condensan muchos pares de electrones. El helio líquido también se condensa cuando se enfría a 2,17 K, produciendo superfluidez con viscosidad cero.

Referencia: “Estado fundamental cuántico crítico extendido en una película delgada superconductora desordenada” por Koichiro Ienaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami y Satoshi Okuma, 16 de marzo de 2024, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-024-46628-7