Вопреки теориям сверхпроводимости: "внезапная смерть" флуктуаций озадачила физиков

Физики из Принстонского университета обнаружили резкое изменение квантового поведения при экспериментах с трехатомным изолятором, который можно легко перевести в сверхпроводящее состояние.

Исследование обещает расширить наше понимание квантовой физики твердого тела в целом, а также дать толчок изучению квантовой физики конденсированного состояния и сверхпроводимости в потенциально новых направлениях. Результаты были опубликованы в научном журнале Nature Physics.

Во главе исследовательской группы стоял Санфэн Ву, доцент физического факультета Принстонского университета. Ученые обнаружили, что внезапное прекращение (или "смерть") квантовых флуктуаций демонстрирует ряд уникальных квантовых эффектов и свойств, которые, по-видимому, выходят за рамки существующих теорий.

Флуктуации — это временные случайные изменения термодинамического состояния материала, который находится на грани фазового перехода. Примером фазового перехода может служить плавление льда в воду. В данном эксперименте исследовались флуктуации, возникающие в сверхпроводнике при температурах, близких к абсолютному нулю.

«Анализируя квантовые флуктуации непосредственно вблизи перехода, мы обнаружили явные признаки нового квантового фазового перехода, который не укладывается в рамки стандартных теоретических описаний в этой области, - сказал Ву. - Как только мы поймем этот феномен, появится реальная возможность для создания новой захватывающей теории».

Квантовые фазы и сверхпроводимость

В физическом мире фазовые переходы происходят, когда материал, такой как жидкость, газ или твердое тело, меняет свое состояние или форму на другую. Но фазовые переходы также происходят и на квантовом уровне. Они возникают при температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15°C), и связаны с непрерывным изменением какого-либо внешнего параметра, такого как давление или магнитное поле, без повышения температуры.

Исследователи особенно заинтересованы в том, как происходят квантовые фазовые переходы в сверхпроводниках - материалах, проводящих электричество без сопротивления. Сверхпроводники могут ускорить процесс передачи информации и лежат в основе мощных магнитов, используемых в медицине и транспорте.

«Очень интригующей областью исследований является то, каким образом можно изменить сверхпроводящую фазу на другую, - отметил Ву. - И мы уже какое-то время интересуемся этой проблемой применительно к атомно-тонким, чистым и монокристаллическим материалам».

Сверхпроводимость возникает, когда электроны объединяются в пары и движутся слаженно без сопротивления и потерь энергии. Обычно электроны движутся по цепям и проводам хаотично, сталкиваясь друг с другом, что в конечном итоге неэффективно и приводит к потере энергии. Но в сверхпроводящем состоянии электроны ведут себя согласованно, что энергетически выгодно.

Хотя сверхпроводимость известна с 1911 года, до 1956 года, когда квантовая механика начала проливать свет на это явление, в основном было непонятно, как и почему она работает. Но только в последнее десятилетие сверхпроводимость стали изучать на чистых двумерных материалах толщиной в один атом. Действительно, долгое время считалось, что сверхпроводимость в двумерном мире в принципе невозможна.

«Это происходило потому, что с переходом к более низким измерениям флуктуации становятся настолько сильными, что "убивают" любую возможность сверхпроводимости», - сказал Н. Фуан Онг, профессор физики в Принстонском университете и соавтор статьи.

Основным способом, которым флуктуации разрушают двумерную сверхпроводимость, является спонтанное возникновение так называемых квантовых вихрей. Каждый вихрь напоминает крошечный водоворот, состоящий из микроскопической нити магнитного поля, заключенной во вращающийся электронный ток.

Когда образец нагревается выше определенной температуры, вихри спонтанно появляются парами: вихри и антивихри. Их быстрое движение разрушает сверхпроводящее состояние.

Физики теперь знают, что сверхпроводимость в сверхтонких пленках существует ниже определенной критической температуры, известной как переход БКТ (названный по именам физиков Вадима Березинского, Джона Костерлица и Дэвида Таулесса). Последние двое разделили Нобелевскую премию по физике 2016 года с Ф. Дунканом Холдейном, профессором Принстонского университета.

Теория БКТ широко признана как успешное описание того, как квантовые вихри размножаются в двумерных сверхпроводниках и разрушают сверхпроводимость. Она применима, когда сверхпроводящий переход индуцируется повышением температуры образца.

Текущий эксперимент

Вопрос о том, как двумерная сверхпроводимость может быть разрушена без повышения температуры, является актуальной областью исследований в сверхпроводимости и теории фазовых переходов.

Исследователи начали с объемного кристалла дителлурида вольфрама (WTe2), который классифицируется как слоистый полуметалл. Затем они стали последовательно эксфолиировать (расслаивать) материал до одноатомного слоя. На этом уровне тонкости материал ведет себя как очень сильный изолятор, то есть электроны в нем имеют ограниченную подвижность и не могут проводить электричество.

Удивительно, что материал демонстрирует множество новых квантовых эффектов, таких как переключение между изолирующей и сверхпроводящей фазами. Исследователи смогли управлять этим переключением, создав устройство, работающее как выключатель.

Но это был только первый шаг. Далее авторы выполнили два важных условия. Во-первых, они охладили дителлурид вольфрама до исключительно низкой температуры, примерно 50 мК (милликельвин). Такая температура невероятно низка, и при ней начинают доминировать квантовые эффекты.

Во-вторых, они перевели материал из изолирующего состояния в сверхпроводящее, добавив немного дополнительных электронов. Для достижения сверхпроводимости не потребовалось много напряжения. «Совсем небольшого затворного напряжения достаточно, чтобы изменить материал от изолятора до сверхпроводника, - сказал Тяньчэн Сонг, постдокторант физического факультета Принстонского университета и ведущий автор статьи. — Это действительно замечательный эффект».

Исследователи обнаружили, что могут точно контролировать свойства сверхпроводимости, регулируя плотность электронов в материале через напряжение на затворе. При критической плотности электронов квантовые вихри быстро размножаются и разрушают сверхпроводимость, вызывая квантовый фазовый переход.

Чтобы зафиксировать наличие квантовых вихрей, исследователи создали небольшой температурный перепад на образце, слегка подогрев одну его часть по сравнению с другой. При этом вихри стремятся переместиться в более холодную область. Как пояснил Онг, они подобны водоворотам - движутся вслед за потоком более холодной среды. Таким образом, в градиенте температуры вихри дрейфуют к холодной части образца, образуя своего рода "реку" вихрей.

Движение вихрей порождает обнаруживаемое напряжение в сверхпроводнике. Это связано с эффектом, названным в честь лауреата Нобелевской премии физика Брайана Джозефсона. Согласно ей, каждый раз при пересечении потоком вихрей линии между двумя электрическими контактами возникает слабое поперечное напряжение, которое фиксируется нановольтметром.

Удивительные квантовые явления

Как только авторы смогли измерить квантовые флуктуации, они обнаружили ряд неожиданных феноменов.

Первым сюрпризом стала замечательная устойчивость вихрей. Эксперимент показал, что вихри сохраняются при намного более высоких температурах и магнитных полях, чем ожидалось. Они выживают при температурах и полях, значительно превышающих сверхпроводящую фазу, в резистивной фазе материала.

Вторым значительным сюрпризом стало то, что сигнал вихря внезапно исчез, когда плотность электронов была настроена чуть ниже критического значения, при котором происходит квантовый фазовый переход сверхпроводящего состояния.

«Мы ожидали увидеть сильные флуктуации ниже критической плотности электронов на несверхпроводящей стороне, так же, как и выше температуры перехода BKT, - сказал Ву. - Однако мы обнаружили, что сигналы вихрей внезапно исчезают в момент пересечения критической плотности электронов. Это было настоящим шоком. Мы совершенно не можем объяснить это наблюдение - "внезапную смерть" флуктуаций».

Онг добавил: «Другими словами, мы открыли новый тип квантовой критической точки, но мы его не понимаем».

В области физики конденсированного состояния на данный момент существуют две утвержденные теории, объясняющие фазовые переходы сверхпроводника: теория Гинзбурга-Ландау и теория BKT. Однако исследователи пришли к выводу, что ни одна из этих теорий не может объяснить наблюдаемые ими явления. «Нам нужна новая теория для описания того, что происходит в данном случае», - сказал Ву, «и это то, что мы надеемся исследовать в будущем, как с теоретической, так и с экспериментальной точки зрения».