东京工业大学的研究人员确定了超导体中的量子临界点，解决了一个长达三十年的谜团，增强了对超导波动的理解。来源:SciTechDaily.com

　　东京工业大学(Tokyo Tech)的一个研究小组成功地探测到了超导性的弱波动[1]，这是超导性的前兆现象。这一突破是通过测量超导体在大范围的磁场和温度范围内的热电效应[2]实现的，温度范围从远高于超导转变温度到接近绝对零度的极低温度。

　　这揭示了超导在温度和磁场方面涨落的全图，并证明了30年来二维超导领域[3]未解决的磁场中异常金属态的起源是量子涨落最强的量子临界点[4]的存在。

　　了解超导体

　　超导体是一种材料，其中的电子在低温下成对，从而产生零电阻。它被用作医学核磁共振成像和其他应用中强大电磁铁的材料。它们也被认为是在低温下运行的量子计算机中的微小逻辑元件，并且有必要在超导体微型化时阐明其在低温下的特性。

　　原子薄的二维超导体受到波动的强烈影响，因此表现出与较厚的超导体明显不同的特性。有两种类型的波动:热(经典)，在高温下更明显，量子，在极低的温度下更重要，后者引起各种有趣的现象。

　　例如，当磁场垂直作用于绝对零度的二维超导体并增加时，会发生从零电阻超导到具有局域电子的绝缘体的转变。这种现象被称为磁场感应超导体-绝缘体相变，是量子涨落引起的量子相变的典型例子[4]。

　　图1所示。(左)在中等强度的磁场中，磁通量线以缺陷的形式穿透，伴随着超导电流的涡流。(中)“超导涨落”状态的概念图，这是超导的前兆。时变、空间不均匀、气泡状超导区域形成。(右)热电效应测量原理图。磁通量线运动和超导波动产生垂直于热流(温度梯度)的电压。图片来源:Koichiro Ienaga

　　然而，自20世纪90年代以来，人们已经知道，对于局部化效应相对较弱的样品，在中间磁场区域会出现异常金属态，其电阻比正常状态低几个数量级。这种异常金属状态的起源被认为是一种类似液体的状态，在这种状态下，由于量子涨落，穿透超导体的磁通量线(图1左)四处移动。

　　然而，这一预测并没有得到证实，因为大多数先前的二维超导体实验都使用电阻率测量来检查电压对电流的响应，这使得很难区分来自磁通量线运动的电压信号和来自正常导电电子散射的电压信号。

　　东京工业大学理学院物理系助理教授Koichiro Ienaga和Satoshi Okuma教授领导的研究小组在2020年的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上报道说，利用热电效应(电压相对于热流(温度梯度)而不是电流产生)，磁通量线的量子运动在异常金属状态下发生。

　　然而，为了进一步阐明异常金属态的起源，有必要阐明超导态被量子涨落破坏并跃迁到正常(绝缘)态的机制。在这项研究中，他们进行了旨在检测超导波动状态(图1中心)的测量，这是超导的前兆状态，被认为存在于正常状态。

　　图2。在较宽的磁场范围和较宽的温度范围内，从远高于超导转变温度到0.1 K的极低温度，揭示了超导性波动的全貌。首次证明了热(经典)涨落与量子涨落之间的交叉线的存在，并发现该交叉线达到绝对零度的量子临界点存在于异常金属区内。图片来源:Koichiro Ienaga

　　研究成果与技术

　　本研究制备并使用了一种非晶结构的钼锗(MoxGe1-x)薄膜[5]，被称为结构均匀无序的二维超导体。它的厚度为10纳米(一纳米是一米的十亿分之一)，有望具有二维系统的波动效应特征。

　　由于波动信号被埋在正常导电的电子散射信号中，无法通过电阻率测量来检测，因此我们进行了热电效应测量，可以检测两种类型的波动:(1)超导波动(超导幅度的波动)和(2)磁通量线运动(超导相位的波动)。

　　当在样品的纵向施加温差时，超导波动和磁通量线的运动在横向上产生电压。相反，正常的电子运动主要在纵向上产生电压。特别是在非晶材料等样品中，电子不易移动，电子在横向上产生的电压可以忽略不计，因此可以通过测量横向电压来选择性地检测单独的波动贡献(图1，右)。

　　在不同的磁场和温度下测量了热电效应，温度范围从远高于超导转变温度2.4 K(开尔文)到非常低的温度0.1 K(室温300 K的1/3000)，接近绝对零度。这表明，超导波动不仅存在于磁通量的液体区域(图2中暗红色区域)，在那里超导相位波动更为明显，而且存在于更远的被认为是正常状态的宽温度磁场区域，在那里超导性被破坏(图2中上凸实线上方的高温高磁场区域)。值得注意的是，首次成功探测到热(经典)涨落与量子涨落之间的交叉线(图2中的粗实线)。

　　交叉线达到绝对零度时的磁场值很可能对应于量子涨落最强的量子临界点，而该点(图2中的白色圆圈)显然位于电阻中观察到异常金属态的磁场范围内。在此之前，不可能通过电阻率测量来探测到这个量子临界点的存在。

　　这一结果揭示了30年来一直未解决的二维超导体在绝对零度磁场中的异常金属态源于量子临界点的存在。换句话说，异常金属态是超导体-绝缘体跃迁的展宽量子临界基态。

　　影响

　　对非晶态常规超导体的热电效应测量可以被视为超导体热电效应的标准数据，因为它们捕获了纯粹的超导波动效应，而没有正常状态电子的贡献。热电效应在电冷却系统等方面的应用非常重要，需要开发在低温下表现出较大热电效应的材料，以延长冷却温度的极限。在某些超导体中，在低温下已经报道了异常大的热电效应，与目前的数据进行比较可能为它们的起源提供线索。

　　未来的发展

　　本研究将发展的学术兴趣是证明理论预测，即在具有比当前样品更强局域效应的二维超导体中，磁通量线将处于量子凝聚态6。展望未来，我们计划使用本研究的方法进行实验，目的是检测它们。

　　这项研究的结果于2024年3月16日在线发表在《自然通讯》上。

　　条款

　　超导性的波动:超强的力量

　　电导率不是均匀的，在时间和空间上有波动。热涨落的发生是正常的，但在绝对零度附近，量子涨落会发生

　　基于量子力学的不确定性原理。

　　热电效应:热能和电能交换的效应。施加温差时产生电压，施加电压时产生温差。目前正在研究前者作为发电装置应用，后者作为冷却装置应用。在这项研究中，它被用作检测超导性波动的方法。

　　Two-dimensio超导部分:非常薄的超导体。当厚度变得比电子对之间的距离更薄时

　　不适用于超导，在超导波动的影响

　　电导率变强，超钴的性能也随之提高

　　导体与较厚的超导体有很大的不同。

　　量子临界点，量子相变:当一个参数，如磁场发生变化时，在绝对零度发生的相变被称为量子相变，与温度变化引起的相变不同。量子临界点是相变点，其中

　　E是量子相变

　　年代发生和时间

　　量子涨落是最强的。

　　非晶态结构:晶体一种物质的结构，其中原子以不规则的方式排列，没有晶体结构

　　量子公司ndensed状态:大量粒子落入最低能态并表现为单一宏观波的一种状态。在超市里

　　在感应态，许多电子对被压缩。液氦也存在

　　冷却至2.17 K时致密，产生零粘度的超流体。

　　参考文献:“无序超导薄膜中加宽的量子临界基态”，作者:Koichiro Ienaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami和Satoshi Okuma, 2024年3月16日，Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 46628 - 7

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