Une percée quantique révèle la nature cachée du supraconducteur

L’effet thermoélectrique révèle une image complète des fluctuations de la supraconductivité.

Faibles fluctuations de la supraconductivité,⁽¹⁾ un phénomène précurseur de la supraconductivité, ont été détectés avec succès par un groupe de recherche de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech). Cette avancée a été réalisée en mesurant l’effet thermoélectrique⁽²⁾ dans les supraconducteurs sur une large gamme de champs magnétiques et sur une large gamme de températures allant de beaucoup plus élevées que la température de transition supraconductrice à des températures très basses proches zéro absolu.

Cela a révélé l’image complète des fluctuations de la supraconductivité en fonction de la température et du champ magnétique, et a démontré que l’origine de l’état métallique anormal dans les champs magnétiques, qui était un problème non résolu dans le domaine de la supraconductivité bidimensionnelle.⁽³⁾ depuis 30 ans, c’est l’existence d’un point critique quantique⁽⁴⁾ où les fluctuations quantiques sont les plus fortes.

Comprendre les supraconducteurs

Un supraconducteur est un matériau dans lequel les électrons s’apparient à basse température, ce qui entraîne une résistance électrique nulle. Il est utilisé comme matériau pour de puissants électro-aimants dans l’IRM médicale et d’autres applications. Ils sont également considérés comme cruciaux en tant que minuscules éléments logiques dans les ordinateurs quantiques fonctionnant à des températures cryogéniques, et il est nécessaire d’élucider les propriétés des supraconducteurs à des températures cryogéniques lorsqu’ils sont microminiaturisés.

Les supraconducteurs bidimensionnels atomiquement minces sont fortement affectés par les fluctuations et présentent donc des propriétés qui diffèrent considérablement de celles des supraconducteurs plus épais. Il existe deux types de fluctuations : thermiques (classiques), plus prononcées à haute température, et quantiques, plus importantes à très basse température, et cette dernière provoque divers phénomènes intéressants.

Par exemple, lorsqu’un champ magnétique est appliqué perpendiculairement à un supraconducteur bidimensionnel au zéro absolu et augmenté, une transition se produit d’une supraconductivité à résistance nulle à un isolant avec des électrons localisés. Ce phénomène est appelé transition supraconducteur-isolant induite par un champ magnétique et constitue un exemple typique de transition de phase quantique.⁽⁴⁾ causée par les fluctuations quantiques.

Cependant, on sait depuis les années 1990 que pour les échantillons présentant des effets de localisation relativement faibles, un état métallique anormal apparaît dans la région du champ magnétique intermédiaire où la résistance électrique est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à l’état normal. On pense que l’origine de cet état métallique anormal est un état semblable à un liquide dans lequel les lignes de flux magnétique (Fig. 1 à gauche) qui pénètrent dans le supraconducteur se déplacent en raison de fluctuations quantiques.

Cependant, cette prédiction n’a pas été confirmée car la plupart des expériences précédentes sur les supraconducteurs bidimensionnels ont utilisé des mesures de résistivité électrique qui examinent la réponse de la tension au courant, ce qui rend difficile la distinction entre les signaux de tension provenant du mouvement des lignes de flux magnétique et ceux provenant du mouvement des lignes de flux magnétique. la diffusion des électrons conducteurs normaux.

Une équipe de recherche dirigée par le professeur adjoint Koichiro Ienaga et le professeur Satoshi Okuma du département de physique de la faculté des sciences de Tokyo Tech a rapporté dans Lettres d’examen physique en 2020, le mouvement quantique des lignes de flux magnétique se produit dans un état métallique anormal en utilisant l’effet thermoélectrique, dans lequel la tension est générée en fonction du flux de chaleur (gradient de température) plutôt qu’en fonction du courant.

Cependant, pour clarifier davantage l’origine de l’état métallique anormal, il est nécessaire d’élucider le mécanisme par lequel l’état supraconducteur est détruit par la fluctuation quantique et passe à l’état normal (isolant). Dans cette étude, ils ont effectué des mesures visant à détecter l’état de fluctuation supraconducteur (au centre de la figure 1), qui est un état précurseur de la supraconductivité et qui existerait à l’état normal.

Réalisations et techniques de recherche

Dans cette étude, un molybdène-germanium (Mo_XGe_1-X) couche minces avec une structure amorphe,⁽⁵⁾ connu sous le nom de supraconducteur bidimensionnel avec une structure et un désordre uniformes, a été fabriqué et utilisé. Il fait 10 nanomètres d’épaisseur (un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre) et promet d’avoir les effets de fluctuation caractéristiques des systèmes bidimensionnels.

Étant donné que les signaux de fluctuation ne peuvent pas être détectés par les mesures de résistivité électrique car ils sont enfouis dans le signal de diffusion électronique conductrice normale, nous avons effectué des mesures d’effet thermoélectrique, qui peuvent détecter deux types de fluctuations : (1) fluctuations supraconductrices (fluctuations de l’amplitude de la supraconductivité ) et (2) mouvement des lignes de flux magnétique (fluctuations de la phase de supraconductivité).

Lorsqu’une différence de température est appliquée dans le sens longitudinal de l’échantillon, les fluctuations supraconductrices et le mouvement des lignes de flux magnétique génèrent une tension dans le sens transversal. En revanche, le mouvement normal des électrons génère une tension principalement dans le sens longitudinal. En particulier dans les échantillons tels que les matériaux amorphes, où les électrons ne se déplacent pas facilement, la tension générée par les électrons dans la direction transversale est négligeable, de sorte que la contribution à la fluctuation seule peut être détectée sélectivement en mesurant la tension transversale (Fig. 1, à droite).

L’effet thermoélectrique a été mesuré dans divers champs magnétiques et à diverses températures allant de beaucoup plus élevées que la température de transition supraconductrice de 2,4 K (Kelvin) à une température très basse de 0,1 K (1/3 000 de 300 K, la température ambiante). ), qui est proche du zéro absolu. Cela révèle que les fluctuations supraconductrices survivent non seulement dans la région liquide du flux magnétique (région rouge foncé sur la figure 2), où les fluctuations de phase supraconductrices sont plus prononcées, mais également dans une large région de champ magnétique de température plus éloignée, considérée comme être la région à l’état normal, où la supraconductivité est détruite (la région à haute température et à champ magnétique élevé au-dessus de la ligne continue convexe supérieure sur la figure 2). Notamment, la ligne de croisement entre les fluctuations thermiques (classiques) et quantiques a été détectée avec succès pour la première fois (ligne continue épaisse sur la figure 2).

La valeur du champ magnétique lorsque la ligne de croisement atteint le zéro absolu correspond probablement au point critique quantique où les fluctuations quantiques sont les plus fortes, et ce point (cercle blanc sur la figure 2) est clairement situé à l’intérieur de la plage du champ magnétique où se trouve un état métallique anormal. a été observée dans la résistance électrique. Jusqu’à présent, il n’était pas possible de détecter l’existence de ce point critique quantique à partir de mesures de résistivité électrique.

Ce résultat révèle que l’état métallique anormal dans un champ magnétique au zéro absolu dans les supraconducteurs bidimensionnels, resté non résolu depuis 30 ans, trouve son origine dans l’existence du point critique quantique. En d’autres termes, l’état métallique anormal est un état fondamental quantique critique élargi pour la transition supraconducteur-isolant.

Conséquences

Les mesures de l’effet thermoélectrique obtenues pour les supraconducteurs amorphes conventionnels peuvent être considérées comme des données standard pour l’effet thermoélectrique sur les supraconducteurs, car elles capturent uniquement l’effet des fluctuations de la supraconductivité sans la contribution des électrons à l’état normal. L’effet thermoélectrique est important en termes d’application aux systèmes de refroidissement électriques, etc., et il existe un besoin de développer des matériaux présentant un effet thermoélectrique important à basse température pour étendre la limite des températures de refroidissement. Des effets thermoélectriques anormalement importants ont été signalés à basse température dans certains supraconducteurs, et une comparaison avec les données actuelles pourrait fournir un indice sur leur origine.

Développement futur

L’intérêt académique qui sera développé dans cette étude est la démonstration de la prédiction théorique selon laquelle dans les supraconducteurs bidimensionnels avec des effets de localisation plus forts que l’échantillon actuel, les lignes de flux magnétique seront dans un état quantique condensé6. À l’avenir, nous prévoyons de déployer des expériences utilisant les méthodes de cette étude dans le but de les détecter.

Les résultats de cette étude ont été publiés en ligne dans Communications naturelles le 16 mars 2024.

Termes

1. Fluctuations de la supraconductivité : La force de la supraconductivité n’est pas uniforme et fluctue dans le temps et dans l’espace. Il est normal que des fluctuations thermiques se produisent, mais à proximité du zéro absolu, des fluctuations quantiques se produisent sur la base du principe d’incertitude de la mécanique quantique.
2. Effet thermoélectrique : Un effet d’échange d’énergie thermique et électrique. Une tension est générée lorsqu’une différence de température est appliquée, tandis qu’une différence de température est produite lorsqu’une tension est appliquée. Le premier est à l’étude pour une application comme dispositif de production d’électricité et le second comme dispositif de refroidissement. Dans cette étude, il est utilisé comme méthode pour détecter les fluctuations de la supraconductivité.
3. Supraconductivité bidimensionnelle : Un supraconducteur très fin. Lorsque l’épaisseur devient inférieure à la distance entre les paires d’électrons responsables de la supraconductivité, l’effet des fluctuations de la supraconductivité devient plus fort et les propriétés des supraconducteurs sont très différentes de celles des supraconducteurs plus épais.
4. Point critique quantique, transition de phase quantique : Une transition de phase qui se produit au zéro absolu lorsqu’un paramètre tel qu’un champ magnétique est modifié est appelée transition de phase quantique et se distingue d’une transition de phase provoquée par un changement de température. Le point critique quantique est le point de transition de phase où une transition de phase quantiques se produisent et où les fluctuations quantiques sont les plus fortes.
5. Structure amorphe : Structure d’un matériau dans lequel les atomes sont disposés de manière irrégulière et qui n’a pas de structure cristalline.
6. État quantique condensé : État dans lequel un grand nombre de particules tombent dans l’état d’énergie le plus bas et se comportent comme une onde macroscopique singulière. Dans l’état supraconducteur, de nombreuses paires d’électrons sont condensées. L’hélium liquide se condense également lorsqu’il est refroidi à 2,17 K, produisant une superfluidité de viscosité nulle.