二维超导体中隐藏量子临界点的发现

东京工业大学(TokyoTech)的一个研究小组已成功检测到超导性的微弱波动，这是超导性的先驱现象。这一突破是通过测量超导体在大范围磁场和大温度范围内的热电效应来实现的，从远高于超导转变温度到接近绝对零的极低温度。该研究结果于2024年3月16日在线发表于《NatureCommunications》。

这揭示了超导随温度和磁场波动的全貌，并证明了磁场中的反常金属态的起源——这是二维超导领域30年来悬而未决的问题。存在量子临界点，其中量子涨落最强。

超导薄膜

超导体是一种电子在低温下配对、电阻为零的材料。它被用作医疗MRI和其他应用中强大电磁体的材料。

它们也被认为是在低温下运行的量子计算机中至关重要的微小逻辑元件，并且需要阐明超导体在超小型化时在低温下的特性。

原子薄的二维超导体受到波动的强烈影响，因此表现出与较厚的超导体显着不同的特性。

有两种类型的涨落：热涨落(经典涨落)，在高温下更为明显;量子涨落，在极低的温度下更为重要。后者导致了各种有趣的现象。例如，当磁场垂直施加到绝对为零的二维超导体并增加时，就会发生从零电阻超导到具有局域电子的绝缘体的转变。

这种现象称为磁场诱发的超导体-绝缘体转变，是由量子涨落引起的量子相变的典型例子。然而，自20世纪90年代以来人们就知道，对于局域效应相对较弱的样品，在中间磁场区域会出现异常金属态，其电阻比正常状态低几个数量级。

这种异常金属态的起源被认为是一种类液体状态，其中穿透超导体的磁通线由于量子涨落而四处移动。

然而，这一预测尚未得到证实，因为大多数先前的二维超导体实验都使用电阻率测量来检查电流的电压响应，因此很难区分源自磁力线运动的电压信号和源自磁力线运动的电压信号。正常传导电子的散射。

东京工业大学理学院物理系助理教授KoichiroIenaga和SatoshiOkuma教授领导的研究小组在2020年《物理评论快报》上报告称，利用热电效应在反常金属态下发生磁力线的量子运动，其中电压是根据热流(温度梯度)而不是电流产生的。

为了进一步阐明反常金属态的起源，有必要阐明量子涨落破坏超导态并跃迁到正常(绝缘)态的机制。

在这项研究中，他们进行了旨在检测​​超导涨落状态的测量，超导涨落状态是超导的前身状态，被认为存在于正常状态下。

(左)在中等强度的磁场中，磁通线以缺陷的形式穿透，并伴随着超导电流的涡流。(中)“超导涨落”状态的概念图，这是超导性的先驱。形成时变、空间不均匀、气泡状超导区域。(右)热电效应测量示意图。磁通线运动和超导波动产生垂直于热流(温度梯度)的电压。图片来源：家永光一郎

研究成果

在这项研究中，制备并使用了一种具有非晶结构的钼-锗(MoxGe1-x)薄膜，被称为具有均匀结构和无序的二维超导体。它的厚度为10纳米(一纳米是十亿分之一米)，有望具有二维系统的涨落效应特征。

由于涨落信号无法通过电阻率测量来检测，因为它们被埋在常导电子散射的信号中，因此研究人员进行了热电效应测量，可以检测两种类型的涨落：1)超导涨落(超导振幅涨落))和2)磁通线运动(超导相位波动)。

当在样品的纵向施加温差时，超导波动和磁通线的运动在横向产生电压。

相反，正常的电子运动主要在纵向产生电压。在非晶材料等电子不易移动的样品中，电子在横向上产生的电压可以忽略不计，因此可以通过测量横向电压来选择性地单独检测波动贡献。

热电效应是在各种磁场和各种温度下测量的，范围从远高于超导转变温度2.4K(开尔文)到极低温度0.1K(300K的1/3000，室温)温度)，接近于绝对零。这表明超导涨落不仅存在于磁通量的液体区域(其中超导相位涨落更为明显)，而且还存在于更远的更远的温度磁场区域(被认为是正常状态区域)，其中超导性被摧毁了。

值得注意的是，首次成功检测到热(经典)涨落和量子涨落之间的交叉线。当交叉线达到绝对零时的磁场值可能对应于量子涨落最强的量子临界点，并且该点明显位于在电阻中观察到异常金属态的磁场范围内。

到目前为止，还不可能通过电阻率测量来检测这个量子临界点的存在。这一结果揭示了二维超导体中绝对零磁场中的反常金属态30年来一直未解的问题源于量子临界点的存在。换句话说，反常金属态是超导体-绝缘体转变的拓宽的量子临界基态。

对非晶常规超导体获得的热电效应测量可以被视为超导体热电效应的标准数据，因为它们纯粹捕获了超导波动的影响，而没有正常态电子的贡献。

热电效应在电冷却系统等方面的应用很重要，并且需要开发在低温下表现出大热电效应的材料以扩展冷却温度的极限。据报道，某些超导体在低温下会出现异常大的热电效应，与现有数据进行比较可能会为其起源提供线索。

未来的研究可以证明理论预测，即在比现有样品具有更强局域效应的二维超导体中，磁通线将处于量子凝聚态。展望未来，研究人员计划使用本研究的方法进行实验，以检测它们。