«Внезапная смерть» квантовых флуктуаций ошеломляет ученых

Физики из Принстонского университета сделали неожиданное открытие в области квантовой физики, экспериментируя с изолятором толщиной в три атома, который может легко превращаться в сверхпроводник. Исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, обещает значительно продвинуть понимание квантовой физики в твердых телах и дать новый толчок изучению сверхпроводимости.

Руководимая Санфенгом Ву, ассистентом профессора физики, команда обнаружила внезапное прекращение квантовых механических флуктуаций, которое демонстрирует ряд уникальных квантовых поведений и свойств, не подпадающих под существующие теории.

Флуктуации - это временные случайные изменения в термодинамическом состоянии материала, находящегося на грани фазового перехода. Примером такого перехода может служить таяние льда в воду. Эксперимент в Принстоне исследовал флуктуации, происходящие в сверхпроводнике при температурах, близких к абсолютному нулю.

"Мы наблюдали квантовые флуктуации вблизи перехода и обнаружили новый квантовый фазовый переход, который не соответствует стандартным теоретическим описаниям," - сказал Ву.

Квантовые Фазы и Сверхпроводимость

Фазовые переходы на квантовом уровне происходят при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, и включают постоянное изменение некоторого внешнего параметра, такого как давление или магнитное поле, без повышения температуры.

В частности, интерес представляют квантовые фазовые переходы в сверхпроводниках - материалах, проводящих электричество без сопротивления. Сверхпроводники могут ускорять обработку информации и лежат в основе мощных магнитов, используемых в здравоохранении и транспорте.

"Изменение сверхпроводящей фазы в другую фазу - это интригующая область исследований," - отметил Ву.

Сверхпроводимость в Ультратонких Пленках

Сверхпроводимость в ультратонких пленках изучается только в последнее десятилетие, хотя существовала с 1911 года. Но только с развитием квантовой механики стало возможным глубже понять это явление.

Санфенг Ву, Най Фуан Онг и Тянченг Сун провели эксперимент с кристаллом вольфрама дителлурида (WTe2), который при снижении температуры до 50 миллиКельвинов (приблизительно -273.10 градусов Цельсия) претерпевает переход от изолятора к сверхпроводнику. Ученые смогли контролировать этот переход, воздействуя на плотность электронов в материале.

Особенно интересным стало обнаружение, что при определенной плотности электронов квантовые вихри мгновенно уничтожают сверхпроводимость, вызывая квантовый фазовый переход. Для обнаружения этих вихрей исследователи создали небольшой температурный градиент в образце, что позволило им зафиксировать возникновение напряжения в сверхпроводнике – эффект, предсказанный теорией Брайана Джозефсона.

Однако самым неожиданным было обнаружение, что сигналы от вихрей резко исчезают, как только электронная плотность достигает критической точки, при которой происходит квантовый фазовый переход. Это явление, названное "внезапной смертью" флуктуаций, пока не поддаётся объяснению с помощью существующих теорий.

"Мы обнаружили новый тип квантовой критической точки, но мы пока не понимаем её," - сказал Онг.

Исследование поддержано рядом научных фондов и учреждений, включая U.S. Office of Naval Research, National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research и другие.