量子突破揭示了超导体隐藏的本质

东京工业大学的研究人员已经确定了超导体的临界量子点，解决了一个长达三十年的谜团，并增进了对超导涨落的理解。 图片来源：SciTechDaily.com

热效应揭示了超导涨落的全貌。

超导性的微弱波动，^[1] 超导现象是由东京工业大学（Tokyo Tech）的一个研究小组成功发现的。 这一壮举是通过测量热效应实现的^[2] 在超导体中，在广泛的磁场范围和广泛的温度范围内，从远高于超导转变温度到接近超导转变温度的极低温度 绝对零度。

这揭示了超导随温度和磁场波动的全貌，并证明了磁场中反常金属态的起源，这一直是二维超导领域尚未解决的问题。^[3] 30年来，存在一个临界量子点^[4] 量子波动最强的地方。

了解超导体

超导体是一种电子在低温下配对、电阻为零的材料。 它被用作医疗 MRI 和其他应用中强大电磁体的材料。 它们作为在低温下运行的量子计算机中的小型逻辑元件也至关重要，并且需要阐明低温超导体在小型化时的特性。

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显着不同的特性。 有两种类型的涨落：热涨落（经典涨落），在高温下更为明显；量子涨落，在极低的温度下更为显着，后者会引起各种有趣的现象。

例如，当磁场垂直于二维超导体施加绝对为零并不断增加时，就会发生从零电阻超导体到具有局域电子的绝缘体的转变。 这种现象称为磁场诱导超导绝缘体转变，是量子相变的典型例子^[4] 由量子涨落引起。

图 1.（左）在中尺度磁场中，磁通线以缺陷的形式突破，并伴随着超导电流的涡流。 （中）“超导波动”状态的概念图，这是超导的先驱。 形成时变、空间不均匀、气泡状超导区域。 （右）热效应测量示意图。 磁通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：稻永晃一郎

然而，自20世纪90年代以来人们就知道，对于局域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。 这种异常金属态的起源被认为是类液体状态，其中穿透超导体的磁通线（图 1 左）因量子涨落而移动。

然而，这一预测尚未得到证实，因为之前大多数二维超导体实验都使用电阻测量来检查电压对电流的响应，因此很难区分磁通线运动产生的电压信号和散射产生的电压信号具有正常传导的电子。

东京工业大学理学院物理系助理教授稻永晃一郎和大隈聪教授领导的研究小组在 物理评论信 2020 利用热电效应在异常金属状态下发生磁通线的量子运动，其中相对于热流（温度梯度）而不是电流产生电压。

然而，为了进一步阐明反常金属态的起源，有必要阐明量子涨落破坏超导态并跃迁到正常（绝缘）态的机制。 在这项研究中，他们进行了旨在检测​​超导涨落状态（图 1 中心）的测量，超导涨落状态是超导的前体状态，被认为存在于自然状态。

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低至 0.1 K），揭示了超导性涨落的全貌。 首次证明了热（经典）和量子涨落之间存在一条交线，并且发现该线达到绝对零的量子临界点位于异常金属区域内。 图片来源：稻永晃一郎

研究成果与技术

在这项研究中，钼锗（Mo_s哎呀_1-s） 薄的s 具有非晶态结构，^[5] 被誉为具有均匀混沌结构的二维超导体，已被制造并使用。 它的厚度为 10 纳米（一纳米是十亿分之一米），有望具有 2D 系统的波动效应特征。

由于波动信号无法通过电阻测量来检测，因为它们隐藏在正常传导电子散射信号中，因此我们进行了热电效应测量，它可以检测两种类型的波动：（1）超导波动（超导电容波动）和(2)磁力线的移动(超导相的变动)。

当在样品的纵向施加温差时，超导性的波动和磁力线的移动会在横向产生电压。 相反，正常的电子运动主要在纵向产生电压。 特别是在非晶材料等电子不易移动的样品中，电子在横向上产生的电压很小，因此可以通过测量横向电压来选择性地单独检测波动贡献（图1，右）。

热电效应已在各种磁场和各种温度下测量，范围从远高于超导转变温度 2.4 开尔文 (K) 到低至 0.1 K（300 K 的 1/3000，° 室温） ，接近于绝对零。 这表明，超导涨落不仅存在于磁通量的液体区域（图2中的深红色区域），其中超导相位涨落最为明显，而且还存在于更远的温度磁场向外的较宽区域，即被认为是超导性被破坏的正常状态区域（图2中上凸实线上方的高磁场和高温区域）。 值得注意的是，首次成功发现了热（经典）涨落和量子涨落之间的交叉线（图 2 中的粗实线）。

当交线达到绝对零时的磁场值可能对应于量子涨落最强的量子临界点，并且该点（图 2 中的白色圆圈）显然位于存在异常金属态的磁场范围内。 观察电阻。 迄今为止，尚未通过电阻测量检测到该量子临界点的存在。

这一结果揭示了二维超导体中绝对零磁场中的反常金属态，这是由于量子临界点的存在而引起的，这个问题30年来一直没有得到解决。 换句话说，反常金属态是从超导体到绝缘体转变的扩展量子临界基态。

后果

对传统非晶超导体获得的热电效应的测量可以被视为超导体热电效应的标准数据，因为它们捕获了超导波动的影响，而没有正常态电子的贡献。 热效应对于电制冷系统等的应用而言很重要，并且需要开发在低温下表现出显着热效应的材料以延长最大冷却温度。 据报道，一些超导体在低温下具有异常大的热电效应，与现有数据进行比较可能会提供其来源的线索。

未来发展

本研究的学术兴趣之一是阐明理论预测，即在比现有样品具有更强局域效应的二维超导体中，磁通线将处于量子凝聚态6。 展望未来，我们计划发表使用本研究方法的实验来找出答案。

该研究结果在线发表于 自然通讯 2024 年 3 月 16 日。

状况

1. 超导性的波动： 超导性的强度并不均匀，并且随时间和空间的变化而波动。 发生热涨落是正常的，但在绝对零附近，根据量子力学的不确定性原理，会发生量子涨落。
2. 热效应： 热能和电能交换的影响。 当施加温度差时产生电压，而当施加电压时产生温度差。 前者正在研究用作发电装置，后者用作冷却装置。 在这项研究中，它被用作检测超导波动的一种方法。
3. 二维超导： 超薄超导体。 当厚度变得小于负责超导的电子对之间的距离时，超导涨落的影响变得更强，超导体的特性与较厚的超导体完全不同。
4. 量子临界点、量子相变： 当磁场等参数变化时在绝对零处发生的相变称为量子相变，与温度变化引起的相变不同。 量子临界点是发生量子相变的相变点s 它们发生在量子涨落最强的地方。
5. 非晶结构： 原子以不规则方式排列且不具有晶体结构的物质结构。
6. 凝聚量子态： 大量粒子处于最低能量状态并表现为单个宏观波的情况。 在超导性中，许多电子对被凝聚。 液氦在冷却至 2.17 K 时也会凝结，从而具有优异的流动性且无粘性。

参考文献：“无序超导薄膜中的扩展量子临界基态”作者：Koichiro Inaga、Yutaka Tamoto、Masahiro Yoda、Yuki Yoshimura、Takahiro Ishigami 和 Satoshi Okuma，2024 年 3 月 16 日， 自然通讯。
号码：10.1038/s41467-024-46628-7