Deboli fluttuazioni della superconduttività, un fenomeno precursore della superconduttività, sono state rilevate con successo da un gruppo di ricerca del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech). Questa svolta è stata ottenuta misurando l’effetto termoelettrico nei superconduttori su un’ampia gamma di campi magnetici e su un’ampia gamma di temperature, da temperature molto più elevate della temperatura di transizione superconduttiva a temperature molto basse vicine allo zero assoluto. I risultati di questo studio sono stati pubblicati online su Nature Communications il 16 marzo 2024.
Ciò ha rivelato il quadro completo delle fluttuazioni della superconduttività rispetto alla temperatura e al campo magnetico, e ha dimostrato che l’origine dello stato metallico anomalo nei campi magnetici – che è stato un problema irrisolto nel campo della superconduttività bidimensionale per 30 anni – è l'esistenza di un punto critico quantistico, dove le fluttuazioni quantistiche sono più forti.
Un superconduttore è un materiale in cui gli elettroni si accoppiano a basse temperature, determinando una resistenza elettrica pari a zero. Viene utilizzato come materiale per potenti elettromagneti nella risonanza magnetica medica e in altre applicazioni.
Sono inoltre considerati cruciali come minuscoli elementi logici nei computer quantistici che funzionano a temperature criogeniche, ed è necessario chiarire le proprietà dei superconduttori a temperature criogeniche quando sono microminiaturizzati.
I superconduttori bidimensionali atomicamente sottili sono fortemente influenzati dalle fluttuazioni e quindi mostrano proprietà che differiscono significativamente da quelle dei superconduttori più spessi.
Esistono due tipi di fluttuazioni:termica (classica), che è più pronunciata alle alte temperature, e quantistica, che è più importante a temperature molto basse. Quest'ultimo provoca una serie di fenomeni interessanti. Ad esempio, quando un campo magnetico viene applicato perpendicolarmente a un superconduttore bidimensionale allo zero assoluto e aumentato, avviene una transizione dalla superconduttività a resistenza zero a un isolante con elettroni localizzati.
Questo fenomeno è chiamato transizione superconduttore-isolante indotta dal campo magnetico ed è un tipico esempio di transizione di fase quantistica causata da fluttuazioni quantistiche. Tuttavia, è noto fin dagli anni '90 che per campioni con effetti di localizzazione relativamente deboli, uno stato metallico anomalo appare nella regione intermedia del campo magnetico dove la resistenza elettrica è diversi ordini di grandezza inferiore allo stato normale.
Si ritiene che l'origine di questo stato metallico anomalo sia uno stato simile a un liquido in cui le linee di flusso magnetico che penetrano nel superconduttore si muovono a causa di fluttuazioni quantistiche.
Tuttavia, questa previsione non è stata confermata perché la maggior parte degli esperimenti precedenti sui superconduttori bidimensionali hanno utilizzato misurazioni di resistività elettrica che esaminano la risposta di tensione alla corrente, rendendo difficile distinguere tra segnali di tensione originati dal movimento delle linee di flusso magnetico e quelli originati da la diffusione degli elettroni a conduzione normale.
Un gruppo di ricerca guidato dal professore assistente Koichiro Ienaga e dal professor Satoshi Okuma del Dipartimento di fisica, Scuola di scienze della Tokyo Tech riferisce in Physical Review Letters nel 2020 che il movimento quantistico delle linee di flusso magnetico si verifica in uno stato metallico anomalo utilizzando l'effetto termoelettrico, in cui viene generata tensione rispetto al flusso di calore (gradiente di temperatura) anziché corrente.
Per chiarire ulteriormente l'origine dello stato metallico anomalo, è necessario chiarire il meccanismo mediante il quale lo stato superconduttore viene distrutto dalla fluttuazione quantistica e dalle transizioni allo stato normale (isolante).
In questo studio, hanno eseguito misurazioni volte a rilevare lo stato di fluttuazione del superconduttore, che è uno stato precursore della superconduttività e si ritiene esista nello stato normale.
Risultati della ricerca
In questo studio, un molibdeno-germanio (Mox Ge1-x ) sono stati fabbricati e utilizzati film sottili con una struttura amorfa, noti come superconduttori bidimensionali con struttura e disordine uniformi. Ha uno spessore di 10 nanometri (un nanometro è un miliardesimo di metro) e promette di avere gli effetti di fluttuazione caratteristici dei sistemi bidimensionali.
Poiché i segnali di fluttuazione non possono essere rilevati dalle misurazioni della resistività elettrica perché sono sepolti nel segnale della diffusione di elettroni a conduzione normale, i ricercatori hanno eseguito misurazioni dell'effetto termoelettrico, che possono rilevare due tipi di fluttuazioni:1) fluttuazioni superconduttrici (fluttuazioni nell'ampiezza della superconduttività ) e 2) movimento della linea di flusso magnetico (fluttuazioni nella fase di superconduttività).
Quando viene applicata una differenza di temperatura nella direzione longitudinale del campione, le fluttuazioni superconduttrici e il movimento delle linee di flusso magnetico generano una tensione nella direzione trasversale.
Al contrario, il normale movimento degli elettroni genera tensione principalmente nella direzione longitudinale. In campioni come materiali amorfi, dove gli elettroni non si muovono facilmente, la tensione generata dagli elettroni nella direzione trasversale è trascurabile, quindi il solo contributo di fluttuazione può essere rilevato selettivamente misurando la tensione trasversale.
L'effetto termoelettrico è stato misurato in una varietà di campi magnetici e in una varietà di temperature che vanno da molto più elevate della temperatura di transizione superconduttiva di 2,4 K (Kelvin) a una temperatura molto bassa di 0,1 K (1/3000 di 300 K, la temperatura ambiente temperatura), che è prossima allo zero assoluto. Ciò rivela che le fluttuazioni superconduttrici sopravvivono non solo nella regione liquida del flusso magnetico, dove le fluttuazioni di fase superconduttrici sono più pronunciate, ma anche su un’ampia regione di campo magnetico e temperatura più esterna, considerata la regione di stato normale, dove la superconduttività viene distrutto.
In particolare, è stata rilevata con successo per la prima volta la linea di passaggio tra le fluttuazioni termiche (classiche) e quelle quantistiche. Il valore del campo magnetico quando la linea di crossover raggiunge lo zero assoluto probabilmente corrisponde al punto critico quantistico in cui le fluttuazioni quantistiche sono più forti e quel punto è chiaramente situato all'interno dell'intervallo del campo magnetico dove è stato osservato uno stato metallico anomalo nella resistenza elettrica. /P>
Fino ad ora non è stato possibile rilevare l’esistenza di questo punto critico quantistico dalle misurazioni della resistività elettrica. Questo risultato rivela che lo stato metallico anomalo in un campo magnetico allo zero assoluto nei superconduttori bidimensionali, rimasto irrisolto per 30 anni, ha origine dall’esistenza del punto critico quantistico. In altre parole, lo stato metallico anomalo è uno stato fondamentale quantistico critico ampliato per la transizione superconduttore-isolante.
Le misurazioni dell'effetto termoelettrico ottenute per i superconduttori convenzionali amorfi possono essere considerate come dati standard per l'effetto termoelettrico sui superconduttori, poiché catturano esclusivamente l'effetto delle fluttuazioni della superconduttività senza il contributo degli elettroni nello stato normale.
L'effetto termoelettrico è importante in termini di applicazione ai sistemi di raffreddamento elettrici, ecc., ed è necessario sviluppare materiali che presentino un ampio effetto termoelettrico a basse temperature per estendere il limite delle temperature di raffreddamento. Sono stati segnalati effetti termoelettrici insolitamente grandi a basse temperature in alcuni superconduttori e il confronto con i dati attuali può fornire un indizio sulla loro origine.
La ricerca futura potrebbe dimostrare la previsione teorica secondo cui nei superconduttori bidimensionali con effetti di localizzazione più forti rispetto al campione attuale, le linee di flusso magnetico saranno in uno stato di condensazione quantistica. Andando avanti, i ricercatori intendono condurre esperimenti utilizzando i metodi di questo studio con l'obiettivo di rilevarli.
Ulteriori informazioni: Koichiro Ienaga et al, Stato fondamentale quantistico critico ampliato in un film sottile superconduttore disordinato, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46628-7
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica , Comunicazioni sulla natura
Fornito dal Tokyo Institute of Technology
