在寬磁場範圍和寬溫度範圍内，從遠高于超導轉變溫度到0.1 K的極低溫度，已經揭示了超導性波動的全貌。首次證明了熱（經典）和量子漲落之間存在交叉線，并且發現該線達到絕對零度的量子臨界點存在于異常金屬區域内。圖檔來源：Koichiro Ienaga
超導性的微弱波動是超導性的前展現象，已被東京工業大學（東京工業大學）的一個研究小組成功檢測到。這一突破是通過測量超導體在寬範圍磁場和寬溫度範圍内的熱電效應來實作的，從遠高于超導轉變溫度到接近絕對零度的極低溫度。研究結果于2024年3月16日線上發表在《自然通訊》上。
這揭示了超導性相對于溫度和磁場的波動的全貌，并證明了磁場中異常金屬态的起源——這是二維超導領域30年來一直懸而未決的問題——是量子臨界點的存在，量子漲落最強。
超導薄膜
超導體是一種電子在低溫下配對的材料，導緻電阻為零。它被用作醫療 MRI 和其他應用中強力電磁鐵的材料。
在低溫下運作的量子計算機中，它們也被認為是至關重要的微小邏輯元件，當超導體微小型化時，需要闡明超導體在低溫下的特性。
原子薄的二維超導體受到波動的強烈影響，是以表現出與較厚的超導體顯着不同的特性。
有兩種類型的波動：熱（經典）和量子（在非常低的溫度下更重要）。後者會引起各種有趣的現象。例如，當磁場垂直于絕對零度的二維超導體并增加時，會發生從零電阻超導到具有局部電子的絕緣體的轉變。
這種現象被稱為磁場誘導的超導體-絕緣體躍遷，是量子漲落引起的量子相變的典型例子。然而，自 1990 年代以來，人們已經知道，對于定位效應相對較弱的樣品，在電阻比正常狀态低幾個數量級的中間磁場區域會出現異常金屬狀态。
這種異常金屬狀态的起源被認為是一種類似液體的狀态，在這種狀态下，穿透超導體的磁通量線由于量子漲落而四處移動。
然而，這一預測尚未得到證明，因為以前大多數關于二維超導體的實驗都使用電阻率測量來檢查電壓對電流的響應，是以很難區分來自磁通線運動的電壓信号和來自法向導電電子散射的電壓信号。
2020年，由東京工業大學理學院實體系的Koichiro Ienaga助理教授和Satoshi Okuma教授上司的研究小組在《實體評論快報》上報告說，磁通量線的量子運動通過利用熱電效應以異常的金屬狀态發生，其中電壓是相對于熱流（溫度梯度）而不是電流産生的。
為了進一步闡明異常金屬态的起源，有必要闡明超導态被量子漲落破壞并過渡到正常（絕緣）狀态的機制。
在這項研究中，他們進行了旨在檢測超導波動态的測量，超導波動态是超導性的前體狀态，被認為存在于正常狀态。
（左）在中等大小的磁場中，磁通量線以缺陷的形式穿透，并伴有超導電流的渦旋。（中心）“超導波動”狀态的概念圖，這是超導性的前兆。形成時變、空間不均勻、氣泡狀的超導區域。（右）熱電效應測量示意圖。磁通量線運動和超導波動産生垂直于熱流的電壓（溫度梯度）。圖檔來源：Koichiro Ienaga
研究成果
在這項研究中，制備并使用了具有非晶态結構的钼鍺（MoxGe1-x）薄膜，稱為具有均勻結構和無序的二維超導體。它的厚度為10納米（1納米是十億分之一米），并有望具有二維系統特有的波動效應。
由于波動信号被埋藏在正導電子散射的信号中，是以無法通過電阻率測量檢測到，是以研究人員進行了熱電效應測量，可以檢測到兩種類型的波動：1）超導波動（超導振幅的波動）和2）磁通量線運動（超導相位的波動）。
當在樣品的縱向上施加溫差時，超導波動和磁通線的運動在橫向方向上産生電壓。
相反，正常電子運動主要在縱向上産生電壓。在電子不易移動的非晶材料等樣品中，電子在橫向方向上産生的電壓可以忽略不計，是以可以通過測量橫向電壓來選擇性地檢測波動貢獻。
熱電效應是在各種磁場和各種溫度下測量的，從遠高于超導轉變溫度的2.4K（開爾文）到非常低的溫度0.1K（300 K的1/3000，室溫），接近絕對零度。這表明，超導漲落不僅存在于磁通量的液體區域，其中超導相位漲落更為明顯，而且在更遠的寬溫度磁場區域，被認為是正常狀态區域，超導性被破壞。
值得注意的是，首次成功探測到熱（經典）和量子漲落之間的交叉線。當交叉線達到絕對零度時，磁場值可能對應于量子漲落最強的量子臨界點，并且該點明顯位于磁場範圍内，在電阻中觀察到異常金屬狀态。
到目前為止，還不可能從電阻率測量中檢測到這個量子臨界點的存在。這一結果表明，30年來一直未解決的二維超導體絕對零度磁場中的反常金屬态源于量子臨界點的存在。換句話說，反常金屬态是超導體-絕緣體躍遷的拓寬量子臨界基态。
非晶态正常超導體的熱電效應測量結果可以被視為超導體熱電效應的标準資料，因為它們純粹捕捉了超導性波動的影響，而沒有常态電子的貢獻。
熱電效應在電冷卻系統等中的應用非常重要，需要開發在低溫下表現出較大熱電效應的材料，以延長冷卻溫度的極限。據報道，在某些超導體的低溫下，熱電效應異常大，與現有資料的比較可能為它們的起源提供線索。
未來的研究可以證明在比現有樣品具有更強的局域效應的二維超導體中，磁通量線将處于量子凝聚态的理論預測。展望未來，研究人員計劃使用這項研究的方法部署實驗，以檢測它們。
更多資訊： Koichiro Ienaga 等人，無序超導薄膜中的擴充量子臨界基态，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-46628-7
期刊資訊：Physical Review Letters 自然通訊