新的研究挑战了关于超导量子跃迁的传统观点。
普林斯顿大学的物理学家在实验一种可以很容易地切换到超导体的三原子薄绝缘体时发现了量子行为的突然变化。
该研究有望增强我们对固体中量子物理学的理解，并推动量子凝聚态物理和超导性研究朝着潜在的新方向发展。研究结果最近发表在科学期刊《自然物理学》上。
由普林斯顿大学物理学助理教授吴三峰领导的研究人员发现，量子力学涨落的突然停止（或“死亡”）表现出一系列独特的量子行为和性质，这些行为和性质似乎超出了既定理论的范围。
波动是处于相变边缘的材料热力学状态的暂时随机变化。相变的一个熟悉的例子是冰融化为水。普林斯顿实验研究了在接近绝对零度的温度下超导体中发生的波动。
“通过直接观察跃迁附近的量子涨落，我们发现新的量子相变的明确证据违背了该领域已知的标准理论描述，”吴说。“一旦我们理解了这种现象，我们认为就有可能出现一个令人兴奋的新理论。
量子相和超导性
在物理世界中，当液体、气体或固体等材料从一种状态或形式变为另一种状态或形式时，就会发生相变。但相变也发生在量子水平上。这些发生在接近绝对零度（-273.15摄氏度）的温度下，并且涉及在不提高温度的情况下连续调整某些外部参数，例如压力或磁场。
研究人员对超导体中的量子相变如何发生特别感兴趣，超导体是无电阻导电的材料。超导体可以加快信息传递速度，并构成用于医疗保健和运输的强力磁铁的基础。
“如何将超导相转变为另一个相是一个有趣的研究领域，”吴说。“一段时间以来，我们对原子薄、清洁和单晶材料中的这个问题很感兴趣。
当电子配对并在没有阻力和能量的情况下一致流动时，就会发生超导性。通常，电子以不稳定的方式穿过电路和电线，以最终效率低下并浪费能量的方式相互推挤。但在超导状态下，电子以节能的方式协同作用。
自 1911 年以来，超导性就为人所知，尽管直到 1956 年量子力学开始阐明这种现象之前，它的工作原理和原因在很大程度上仍然是一个谜。但直到最近十年左右，人们才在干净的、原子般薄的二维材料中研究了超导性。事实上，很长一段时间以来，人们都认为在二维世界中不可能实现超导性。
“这是因为，当你进入较低的维度时，波动变得如此强烈，以至于它们’扼杀’了超导性的任何可能性，”普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授、该论文的作者N. Phuan Ong说。
涨落破坏二维超导性的主要方式是自发出现所谓的量子涡旋（复数：涡旋）。每个漩涡都像一个微小的漩涡，由被困在漩涡电子电流中的微观磁场链组成。当样品升高到一定温度以上时，漩涡会成对自发地出现：漩涡和反漩涡。它们的快速运动破坏了超导态。“漩涡就像一个漩涡，”王说。“它们是你排干浴缸时看到的漩涡的量子版本。”
物理学家现在知道，超薄膜中的超导性确实存在于某个称为BKT跃迁的临界温度以下，该温度以凝聚态物理学家Vadim Berezinskii，John Kosterlitz和David Thouless命名。后两人在2016年与普林斯顿物理学家、谢尔曼·费尔柴尔德大学物理学教授F·邓肯·霍尔丹（F. Duncan Haldane）分享了诺贝尔物理学奖。BKT理论被广泛认为是量子涡旋如何在二维超导体中增殖并破坏超导性的成功描述。该理论适用于通过加热样品诱导超导转变的情况。
目前的实验
如何在不升高温度的情况下破坏二维超导性是超导和相变领域的一个活跃研究领域。在接近绝对零度的温度下，量子涨落会引起量子跃迁。在这种情况下，转变与温度驱动的 BKT 转变不同。
研究人员从二碲化钨（WTe2）的块状晶体开始，它被归类为层状半金属。研究人员首先将二碲化钨转化为二维材料，方法是将材料越来越多地剥离或剥离到单个原子薄层。在这种薄度下，该材料表现为非常强的绝缘体，这意味着其电子的运动有限，因此不能导电。令人惊讶的是，研究人员发现这种材料表现出许多新颖的量子行为，例如在绝缘相和超导相之间切换。他们能够通过构建一个功能类似于“开和关”开关的设备来控制这种开关行为。
但这只是第一步。接下来，研究人员将材料置于两个重要条件下。他们做的第一件事是将二碲化钨冷却到极低的温度，大约50毫开尔文（mK）。
50毫开尔文是-273.10摄氏度（或-459.58华氏度），这是一个令人难以置信的低温，量子力学效应占主导地位。
然后，研究人员通过向材料中引入一些额外的电子，将材料从绝缘体转化为超导体。达到超导状态不需要太多的电压。“只需少量的栅极电压就可以将材料从绝缘体转变为超导体，”物理学博士后研究员、该论文的主要作者宋天成说。“这确实是一个了不起的效果。”
研究人员发现，他们可以通过栅极电压调节材料中的电子密度来精确控制超导性的性质。在临界电子密度下，量子涡旋迅速增殖并破坏超导性，促使量子相变发生。
为了检测这些量子涡旋的存在，研究人员在样品上创造了一个微小的温度梯度，使二碲化钨的一侧比另一侧略热。“漩涡寻求更冷的边缘，”Ong说。“在温度梯度中，样品中的所有漩涡都漂移到较冷的部分，所以你创造的是一个漩涡河，从较热的部分流向较冷的部分。
涡流在超导体中产生可检测的电压信号。这是由于以诺贝尔奖获得者物理学家布莱恩·约瑟夫森（Brian Josephson）命名的效应，他的理论预测，每当涡流穿过两个电触点之间的线时，它们就会产生微弱的横向电压，这可以通过纳伏表检测到。
“我们可以验证这是约瑟夫森效应;如果你反转磁场，检测到的电压就会反转，“Ong说。
“这是涡流的一个非常特殊的特征，”吴补充道。“直接探测这些移动的漩涡为我们提供了一个实验工具来测量样品中的量子涨落，否则很难实现。
令人惊讶的量子现象
一旦作者能够测量这些量子涨落，他们就发现了一系列意想不到的现象。第一个惊喜是漩涡的非凡稳健性。实验表明，这些漩涡持续到比预期高得多的温度和磁场。它们在远高于超导相的温度和磁场中，在材料的电阻相中存活。
第二个主要惊喜是，当电子密度调谐到超导态量子相变发生临界值以下时，涡旋信号突然消失。在这个电子密度的临界值下，研究人员称之为量子临界点（QCP），代表相图中零温度的点，量子涨落驱动相变。
“我们预计在非超导侧的临界电子密度以下将持续出现强烈的波动，就像在BKT转变温度以上看到的强烈波动一样，”Wu说。“然而，我们发现，涡旋信号在越过临界电子密度的那一刻’突然’消失了。这真是令人震惊。我们根本无法解释这种观察结果——波动的’突然死亡’。
Ong补充说：“换句话说，我们发现了一种新型的量子临界点，但我们不了解它。
在凝聚态物理领域，目前有两种成熟的理论可以解释超导体的相变，即金茨堡-朗道理论和BKT理论。然而，研究人员发现，这些理论都无法解释观察到的现象。
“我们需要一种新的理论来描述这种情况，”吴说，“这是我们希望在未来的工作中解决的问题，无论是在理论上还是在实验上。
暂无评论内容