양자 혁신으로 초전도체의 숨겨진 성질 밝혀져

열 효과는 초전도성의 변동을 전체적으로 보여줍니다.

초전도성의 약한 변동,^[1] 초전도 현상은 도쿄 공업 대학 (Tokyo Tech)의 연구 그룹에 의해 성공적으로 발견되었습니다. 이 위업은 열 효과를 측정하여 달성되었습니다.^[2] 광범위한 자기장과 초전도 전이 온도보다 훨씬 높은 온도부터 거의 매우 낮은 온도까지의 광범위한 온도에 걸쳐 초전도체에서 절대 영도.

이를 통해 온도와 자기장에 따른 초전도의 변동을 전체적으로 밝혀냈고, 2차원 초전도 분야에서 풀리지 않았던 문제였던 자기장 내 변칙적인 금속 상태의 기원을 입증했다.^[3] 30년 동안 중요한 양자점이 존재합니다^[4] 양자 변동이 가장 강한 곳.

초전도체의 이해

초전도체는 낮은 온도에서 전자쌍이 형성되어 전기 저항이 0이 되는 물질입니다. 의료용 MRI 및 기타 응용 분야에서 강력한 전자석의 재료로 사용됩니다. 저온에서 동작하는 양자컴퓨터의 소형 논리소자로도 중요한데, 저온초전도체를 소형화하면 그 특성을 해명할 필요가 있다.

원자적으로 얇은 2차원 초전도체는 변동에 크게 영향을 받기 때문에 두꺼운 초전도체와는 크게 다른 특성을 나타냅니다. 변동에는 두 가지 유형이 있습니다. 고온에서 더 두드러지는 열(고전적)과 매우 낮은 온도에서 더 중요한 양자(양자)는 다양한 흥미로운 현상을 유발합니다.

예를 들어 절대 영도에서 2차원 초전도체에 수직으로 자기장이 가해지고 증가하면 저항이 0인 초전도체에서 국부화된 전자가 있는 절연체로 전이가 발생합니다. 이러한 현상을 자기장 유도 초전도 절연체 전이라고 하며 양자 상전이의 대표적인 예이다.^[4] 양자 변동으로 인해 발생합니다.

그림 1. (왼쪽) 중규모 자기장에서는 초전도 전류의 소용돌이를 동반한 결함 형태로 자속선이 돌파됩니다. (가운데) 초전도의 전조인 '초전도 변동' 상태의 개념도. 시간에 따라 변하고 공간적으로 불균일하며 거품과 같은 초전도 영역이 형성됩니다. (오른쪽) 열 효과 측정의 개략도. 자속선 운동과 초전도 변동은 열 흐름(온도 구배)에 수직인 전압을 생성합니다. 크레딧: Inaga Koichiro

그러나 상대적으로 국소화 효과가 약한 샘플의 경우 전기 저항이 정상 상태보다 몇 자릿수 낮은 중간 자기장 영역에 변칙적인 금속 상태가 나타나는 것으로 1990년대부터 알려졌습니다. 이 변칙적인 금속 상태의 기원은 초전도체를 관통하는 자속선(그림 1 왼쪽)이 양자 요동에 의해 이동하는 액체와 같은 상태인 것으로 생각됩니다.

그러나 이전의 2차원 초전도체 실험에서는 전류에 대한 전압의 반응을 조사하는 전기 저항 측정을 사용했기 때문에 이러한 예측이 입증되지 않았습니다. 이로 인해 자속선의 이동으로 인해 발생하는 전압 신호와 산란으로 인해 발생하는 전압 신호를 구별하기가 어렵습니다. 정상적인 전도를 갖는 전자.

도쿄공업대학 이학부 물리학과 이나가 고이치로 조교수와 오쿠마 사토시 교수가 이끄는 연구팀은 실제 검토 편지 2020 전류가 아닌 열의 흐름(온도 구배)에 따라 전압이 발생하는 열전 효과를 이용하여 변칙적인 금속 상태에서 자속선의 양자 운동이 발생합니다.

그러나 변칙적인 금속 상태의 기원을 더욱 명확히 하기 위해서는 초전도 상태가 양자 요동에 의해 파괴되어 정상(절연) 상태로 천이되는 메커니즘을 해명할 필요가 있다. 본 연구에서는 자연 상태에 존재한다고 생각되는 초전도의 전구체 상태인 초전도의 변동 상태(그림 1의 중앙)를 검출하기 위한 측정을 수행했습니다.

그림 2. 초전도성 변동의 전체 그림은 넓은 자기장 범위와 초전도 전이 온도보다 훨씬 높은 것부터 0.1K만큼 낮은 온도까지 광범위한 온도에서 드러납니다. 열(고전적)과 양자 요동 사이의 교차선의 존재가 처음으로 입증되었으며, 이 선이 절대 영도에 도달하는 양자 임계점이 변칙적인 금속 영역 내에 위치하는 것으로 밝혀졌습니다. 크레딧: Inaga Koichiro

연구성과 및 기술

본 연구에서는 몰리브덴 게르마늄(Mo_에스말_1-에스) 얇은에스 비정질 구조로,^[5] 균일하고 혼돈스러운 구조를 지닌 2차원 초전도체로 알려져 제조되어 사용되고 있다. 두께는 10나노미터(1나노미터는 10억분의 1미터)이며 2D 시스템의 특징적인 변동 효과를 가질 것으로 예상됩니다.

변동 신호는 정상 전도 전자 산란 신호에 묻혀 있기 때문에 전기 저항 측정으로는 감지할 수 없기 때문에 열전 효과 측정을 수행하여 두 가지 유형의 변동을 감지할 수 있습니다. (1) 초전도 변동(초전도 용량의 변동) 및 (2) 자속선의 이동(초전도 상태의 변동).

시료의 세로 방향으로 온도차를 가하면 초전도의 변동과 자속선의 이동에 의해 가로 방향의 전압이 발생합니다. 대조적으로, 정상적인 전자 운동은 주로 세로 방향으로 전압을 생성합니다. 특히 전자가 쉽게 이동하지 않는 비정질 재료와 같은 시료에서는 전자가 가로 방향으로 발생하는 전압이 작기 때문에 가로 전압을 측정하면 변동 기여만 선택적으로 검출할 수 있습니다(그림 1, 오른쪽).

열전 효과는 다양한 자기장과 초전도 전이 온도인 2.4K(켈빈)보다 훨씬 높은 온도부터 최저 0.1K(300K의 1/3000, ° 실온)까지 다양한 온도에서 측정되었습니다. , 이는 절대 영도에 가깝습니다. 이는 초전도 위상 변동이 가장 뚜렷한 자속의 액체 영역(그림 2의 진한 빨간색 영역)뿐만 아니라 더 바깥쪽의 온도 자기장의 넓은 영역에 걸쳐 초전도 변동이 존재함을 나타냅니다. 초전도성이 파괴되는 정상 상태 영역(그림 2의 상부 볼록 실선 위의 높은 자기장 및 고온 영역)으로 간주됩니다. 특히, 열(고전적) 변동과 양자 변동 사이의 교차선이 처음으로 성공적으로 발견되었습니다(그림 2의 두꺼운 실선).

교차선이 절대 영도에 도달할 때 자기장의 값은 양자 변동이 가장 강한 양자 임계점에 해당할 가능성이 높으며 해당 지점(그림 2의 흰색 원)은 분명히 변칙적인 금속 상태가 존재하는 자기장 범위 내에 있습니다. 전기저항에서 관찰되었습니다. 지금까지 전기 저항 측정에서는 이러한 양자 임계점의 존재가 감지되지 않았습니다.

이번 결과는 30년 동안 풀리지 않은 2차원 초전도체의 절대 영도 자기장 내 변칙적인 금속 상태가 양자 임계점의 존재에서 비롯된다는 사실을 보여준다. 즉, 변칙적인 금속 상태는 초전도체에서 절연체로의 전이를 위한 확장된 양자 임계 바닥 상태입니다.

파급효과

기존의 비정질 초전도체에서 얻은 열전 효과 측정은 정상 상태 전자의 기여 없이 초전도율 변동 효과를 포착하기 때문에 초전도체의 열전 효과에 대한 표준 데이터로 간주될 수 있습니다. 전기냉동시스템 등에 적용하기 위해서는 열효과가 중요하며, 최대 냉각온도를 확장하기 위해서는 저온에서도 큰 열효과를 나타내는 소재 개발이 필요하다. 저온에서 비정상적으로 큰 열전 효과가 일부 초전도체에서 보고되었으며, 기존 데이터와 비교하면 그 원인에 대한 단서를 제공할 수 있습니다.

향후 개발

본 연구에서 개발하고자 하는 학문적 관심 중 하나는 현재 샘플보다 더 강한 국지화 효과를 갖는 2차원 초전도체에서 자속선이 양자 응축 상태에 있을 것이라는 이론적 예측을 명확히 하는 것입니다6. 앞으로는 본 연구의 방법을 활용하여 이를 알아보는 실험을 발표할 예정이다.

이번 연구 결과는 온라인에 게재됐다. 네이처커뮤니케이션즈 2024년 3월 16일.

정황

1. 초전도성의 변동: 초전도의 세기는 일정하지 않고 시간과 공간에 따라 변동한다. 열요동이 일어나는 것은 당연하지만, 절대영도 부근에서는 양자역학의 불확정성 원리에 따라 양자요동이 일어난다.
2. 열 효과: 열 및 전기 에너지 교환의 효과. 온도차를 가하면 전압이 발생하고, 전압을 가하면 온도차가 발생합니다. 전자는 발전장치로, 후자는 냉각장치로 활용이 검토되고 있다. 본 연구에서는 초전도성의 변동을 검출하는 방법으로 사용되었다.
3. 2D 초전도성: 초박형 초전도체. 초전도를 담당하는 전자쌍 사이의 거리보다 두께가 얇아지면 초전도의 변동 효과가 강해지며 초전도체의 특성은 두꺼운 초전도체와 완전히 다릅니다.
4. 양자 임계점, 양자 위상 전환: 자기장 등의 변수가 변할 때 절대 영도에서 일어나는 상전이를 양자 상전이라고 하며, 온도 변화에 따른 상전이와 구별된다. 양자임계점은 양자 상전이가 일어나는 상전이점이다.에스 이는 양자 변동이 가장 강한 곳에서 발생합니다.
5. 무정형 구조: 원자가 불규칙하게 배열되어 결정구조를 갖지 않는 물질의 구조.
6. 응축된 양자 상태: 다수의 입자가 가장 낮은 에너지 상태에 있고 하나의 거시적 파동처럼 행동하는 상태입니다. 초전도에서는 많은 전자쌍이 응축됩니다. 액체 헬륨은 2.17K로 냉각되면 응축되어 끈적임 없이 뛰어난 유동성을 제공합니다.

참고 자료: 이나가 코이치로, 타모토 유타카, 요다 마사히로, 요시무라 유키, 이시가미 타카히로, 오쿠마 사토시가 저술한 “무질서한 초전도 박막의 확장된 양자 임계 접지 상태”, 2024년 3월 16일, 네이처커뮤니케이션즈.
도이: 10.1038/s41467-024-46628-7