在宽磁场范围和宽温度范围内，从远高于超导转变温度到0.1 K的极低温度，已经揭示了超导性波动的全貌。首次证明了热（经典）和量子涨落之间存在交叉线，并且发现该线达到绝对零度的量子临界点存在于异常金属区域内。图片来源：Koichiro Ienaga
超导性的微弱波动是超导性的前体现象，已被东京工业大学（东京工业大学）的一个研究小组成功检测到。这一突破是通过测量超导体在宽范围磁场和宽温度范围内的热电效应来实现的，从远高于超导转变温度到接近绝对零度的极低温度。研究结果于2024年3月16日在线发表在《自然通讯》上。
这揭示了超导性相对于温度和磁场的波动的全貌，并证明了磁场中异常金属态的起源——这是二维超导领域30年来一直悬而未决的问题——是量子临界点的存在，量子涨落最强。
超导薄膜
超导体是一种电子在低温下配对的材料，导致电阻为零。它被用作医疗 MRI 和其他应用中强力电磁铁的材料。
在低温下运行的量子计算机中，它们也被认为是至关重要的微小逻辑元件，当超导体微小型化时，需要阐明超导体在低温下的特性。
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显着不同的特性。
有两种类型的波动：热（经典）和量子（在非常低的温度下更重要）。后者会引起各种有趣的现象。例如，当磁场垂直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部电子的绝缘体的转变。
这种现象被称为磁场诱导的超导体-绝缘体跃迁，是量子涨落引起的量子相变的典型例子。然而，自 1990 年代以来，人们已经知道，对于定位效应相对较弱的样品，在电阻比正常状态低几个数量级的中间磁场区域会出现异常金属状态。
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，穿透超导体的磁通量线由于量子涨落而四处移动。
然而，这一预测尚未得到证实，因为以前大多数关于二维超导体的实验都使用电阻率测量来检查电压对电流的响应，因此很难区分来自磁通线运动的电压信号和来自法向导电电子散射的电压信号。
2020年，由东京工业大学理学院物理系的Koichiro Ienaga助理教授和Satoshi Okuma教授领导的研究小组在《物理评论快报》上报告说，磁通量线的量子运动通过利用热电效应以异常的金属状态发生，其中电压是相对于热流（温度梯度）而不是电流产生的。
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过渡到正常（绝缘）状态的机制。
在这项研究中，他们进行了旨在检测超导波动态的测量，超导波动态是超导性的前体状态，被认为存在于正常状态。
（左）在中等大小的磁场中，磁通量线以缺陷的形式穿透，并伴有超导电流的涡旋。（中心）“超导波动”状态的概念图，这是超导性的前兆。形成时变、空间不均匀、气泡状的超导区域。（右）热电效应测量示意图。磁通量线运动和超导波动产生垂直于热流的电压（温度梯度）。图片来源：Koichiro Ienaga
研究成果
在这项研究中，制备并使用了具有非晶态结构的钼锗（MoxGe1-x）薄膜，称为具有均匀结构和无序的二维超导体。它的厚度为10纳米（1纳米是十亿分之一米），并有望具有二维系统特有的波动效应。
由于波动信号被埋藏在正导电子散射的信号中，因此无法通过电阻率测量检测到，因此研究人员进行了热电效应测量，可以检测到两种类型的波动：1）超导波动（超导振幅的波动）和2）磁通量线运动（超导相位的波动）。
当在样品的纵向上施加温差时，超导波动和磁通线的运动在横向方向上产生电压。
相反，正常电子运动主要在纵向上产生电压。在电子不易移动的非晶材料等样品中，电子在横向方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波动贡献。
热电效应是在各种磁场和各种温度下测量的，从远高于超导转变温度的2.4K（开尔文）到非常低的温度0.1K（300 K的1/3000，室温），接近绝对零度。这表明，超导涨落不仅存在于磁通量的液体区域，其中超导相位涨落更为明显，而且在更远的宽温度磁场区域，被认为是正常状态区域，超导性被破坏。
值得注意的是，首次成功探测到热（经典）和量子涨落之间的交叉线。当交叉线达到绝对零度时，磁场值可能对应于量子涨落最强的量子临界点，并且该点明显位于磁场范围内，在电阻中观察到异常金属状态。
到目前为止，还不可能从电阻率测量中检测到这个量子临界点的存在。这一结果表明，30年来一直未解决的二维超导体绝对零度磁场中的反常金属态源于量子临界点的存在。换句话说，反常金属态是超导体-绝缘体跃迁的拓宽量子临界基态。
非晶态常规超导体的热电效应测量结果可以被视为超导体热电效应的标准数据，因为它们纯粹捕捉了超导性波动的影响，而没有常态电子的贡献。
热电效应在电冷却系统等中的应用非常重要，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。据报道，在某些超导体的低温下，热电效应异常大，与现有数据的比较可能为它们的起源提供线索。
未来的研究可以证明在比现有样品具有更强的局域效应的二维超导体中，磁通量线将处于量子凝聚态的理论预测。展望未来，研究人员计划使用这项研究的方法部署实验，以检测它们。
更多信息： Koichiro Ienaga 等人，无序超导薄膜中的扩展量子临界基态，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-46628-7
期刊信息：Physical Review Letters 自然通讯