פריצת דרך קוונטית חושפת את הטבע הנסתר של מוליך-על

אפקט טרמו-אלקטרי חושף תמונה מלאה של תנודות במוליכות-על.

תנודות חלשות במוליכות-על,⁽¹⁾ תופעה מקשרת למוליכות-על, זוהתה בהצלחה על ידי קבוצת מחקר במכון הטכנולוגי של טוקיו (טוקיו טק). פריצת דרך זו הושגה על ידי מדידת האפקט התרמו-אלקטרי⁽²⁾ במוליכי-על על פני טווח רחב של שדות מגנטיים ועל פני טווח רחב של טמפרטורות, החל מטמפרטורת המעבר המוליכי-על גבוהה בהרבה לטמפרטורות נמוכות מאוד ליד אפס מוחלט.

זה חשף את התמונה המלאה של תנודות במוליכות-על ביחס לטמפרטורה ולשדה מגנטי, והוכיח כי מקור המצב המתכתי החריג בשדות מגנטיים, שהיה בעיה בלתי פתורה בתחום מוליכות-העל הדו-ממדית.⁽³⁾ במשך 30 שנה, היא קיומה של נקודה קריטית קוונטית⁽⁴⁾ שבו התנודות הקוונטיות הן החזקות ביותר.

הבנת מוליכים

מוליך-על הוא חומר שבו אלקטרונים מזדווגים בטמפרטורות נמוכות, וכתוצאה מכך התנגדות חשמלית אפסית. הוא משמש כחומר לאלקטרומגנטים רבי עוצמה ב-MRI רפואי ויישומים אחרים. הם גם נחשבים חיוניים כיסודות לוגיים זעירים במחשבים קוונטיים הפועלים בטמפרטורות קריוגניות, ויש צורך להבהיר את תכונותיהם של מוליכים בטמפרטורות קריוגניות כאשר הם ממוזערים במיקרו.

מוליכים דו-ממדיים דקים מבחינה אטומית מושפעים מאוד מתנודות ולכן מציגים תכונות השונות באופן משמעותי מאלו של מוליכים עבים יותר. ישנם שני סוגים של תנודות: תרמית (קלאסית), שבולטת יותר בטמפרטורות גבוהות, וקוונטי, שחשובה יותר בטמפרטורות נמוכות מאוד, והאחרון גורם למגוון תופעות מעניינות.

לדוגמה, כאשר שדה מגנטי מופעל בניצב על מוליך דו-ממדי באפס מוחלט ומוגבר, מתרחש מעבר ממוליכות-על התנגדות אפסית למבודד עם אלקטרונים מקומיים. תופעה זו נקראת מעבר מוליך-מבודד המושר על ידי שדה מגנטי והיא דוגמה אופיינית למעבר פאזה קוונטי⁽⁴⁾ נגרמת על ידי תנודות קוונטיות.

עם זאת, ידוע מאז שנות ה-90 כי עבור דגימות עם השפעות לוקליזציה חלשות יחסית, מופיע מצב מתכתי חריג באזור השדה המגנטי הבינוני שבו ההתנגדות החשמלית נמוכה בכמה סדרי גודל מהמצב הרגיל. מקורו של מצב מתכתי חריג זה נחשב למצב דמוי נוזל שבו קווי שטף מגנטיים (איור 1 משמאל) שחודרים לתוך מוליך העל נעים עקב תנודות קוונטיות.

עם זאת, תחזית זו לא הוכחה מכיוון שרוב הניסויים הקודמים על מוליכים דו-מימדיים השתמשו במדידות התנגדות חשמלית הבודקות את תגובת המתח לזרם, מה שמקשה על ההבחנה בין אותות מתח שמקורם בתנועה של קווי שטף מגנטי לבין אלו שמקורם פיזור של אלקטרונים מוליכים רגילים.

צוות מחקר בראשות פרופסור עוזר קויצ'ירו אינאגה ופרופסור סאטושי אוקומה מהמחלקה לפיזיקה, בית הספר למדעים בטוקיו טק דיווח ב- מכתבי סקירה פיזית בשנת 2020, תנועה קוונטית של קווי שטף מגנטי מתרחשת במצב מתכתי חריג באמצעות האפקט התרמו-אלקטרי, שבו נוצר מתח ביחס לזרימת החום (שיפוע טמפרטורה) ולא לזרם.

עם זאת, כדי להבהיר עוד יותר את מקורו של המצב המתכתי החריג, יש צורך להבהיר את המנגנון שבאמצעותו נהרס המצב המוליך על ידי תנודות קוונטיות ומעברים למצב הרגיל (המבודד). במחקר זה, הם ביצעו מדידות שמטרתן לזהות את מצב התנודות המוליכות העל (מרכז איור 1), שהוא מצב מבשר של מוליכות-על ונחשב להתקיים במצב נורמלי.

הישגי מחקר וטכניקות

במחקר זה, מוליבדן-גרמניום (Mo_איקסGe_1-איקס) סרט דקס עם מבנה אמורפי,⁽⁵⁾ הידוע כמוליך-על דו-ממדי בעל מבנה ואי-סדר אחידים, יוצר והשתמש בו. עוביו 10 ננומטר (ננומטר אחד הוא מיליארדית המטר) ומבטיח לקבל את השפעות התנודות האופייניות למערכות דו-ממדיות.

מכיוון שלא ניתן לזהות אותות תנודות על ידי מדידות התנגדות חשמלית מכיוון שהם קבורים באות של פיזור אלקטרונים מוליכים רגילים, ביצענו מדידות אפקט תרמו-אלקטרי, שיכולות לזהות שני סוגים של תנודות: (1) תנודות מוליכות-על (תנודות במשרעת של מוליכות-על ) ו-(2) תנועת קו שטף מגנטי (תנודות בשלב של מוליכות-על).

כאשר הפרש טמפרטורה מוחל בכיוון האורך של המדגם, התנודות המוליכות העל ותנועת קווי השטף המגנטי מייצרים מתח בכיוון הרוחבי. לעומת זאת, תנועת אלקטרונים רגילה יוצרת מתח בעיקר בכיוון האורך. במיוחד בדגימות כגון חומרים אמורפיים, שבהם אלקטרונים אינם זזים בקלות, המתח שנוצר על ידי אלקטרונים בכיוון הרוחבי הוא זניח, כך שניתן לזהות את תרומת התנודות לבדה באופן סלקטיבי על ידי מדידת המתח הרוחבי (איור 1, מימין).

ההשפעה התרמו-אלקטרית נמדדה במגוון שדות מגנטיים ובמגוון טמפרטורות שנעו בין גבוה בהרבה מטמפרטורת המעבר המוליכה של 2.4 K (Kelvin) ועד לטמפרטורה נמוכה מאוד של 0.1 K (1/3000 של 300 K, טמפרטורת החדר). ), שהוא קרוב לאפס המוחלט. זה מגלה שתנודות מוליכות-על שורדות לא רק באזור הנוזל של השטף המגנטי (אזור אדום כהה באיור 2), שבו תנודות הפאזה המוליכות בולטות יותר, אלא גם על פני אזור רחב של שדה טמפרטורה-מגנטי הרחק כלפי חוץ שנחשב להיות אזור המצב הנורמלי, שבו מוליכות-על נהרסת (אזור הטמפרטורה הגבוהה והשדה המגנטי הגבוה מעל הקו המוצק הקמור העליון באיור 2). יש לציין כי קו ההצלבה בין תנודות תרמיות (קלאסיות) וקוונטיות זוהה בהצלחה בפעם הראשונה (קו מוצק עבה באיור 2).

הערך של השדה המגנטי כאשר קו ההצלבה מגיע לאפס המוחלט מתאים ככל הנראה לנקודה הקריטית הקוונטית שבה התנודות הקוונטיות החזקות ביותר, ונקודה זו (המעגל הלבן באיור 2) ממוקמת בבירור בתוך תחום השדה המגנטי שבו מצב מתכתי חריג. נצפה בהתנגדות החשמלית. לא ניתן היה לזהות את קיומה של נקודה קריטית קוונטית זו ממדידות התנגדות חשמלית עד כה.

תוצאה זו חושפת שהמצב המתכתי החריג בשדה מגנטי באפס מוחלט במוליכי-על דו-ממדיים, שנותר לא פתור במשך 30 שנה, מקורו בקיומה של הנקודה הקריטית הקוונטית. במילים אחרות, המצב המתכתי החריג הוא מצב קרקע קריטי קוונטי מורחב למעבר מוליך-מבודד-על.

השלכות

מדידות האפקט התרמו-אלקטרי שהתקבלו עבור מוליכים קונבנציונליים אמורפיים יכולים להיחשב כנתונים סטנדרטיים להשפעה התרמו-אלקטרית על מוליכים, שכן הם לוכדים אך ורק את ההשפעה של תנודות במוליכות-על ללא תרומה של אלקטרונים במצב תקין. האפקט התרמו-אלקטרי חשוב מבחינת יישומו על מערכות קירור חשמליות וכדומה, ויש צורך בפיתוח חומרים המפגינים אפקט תרמו-אלקטרי גדול בטמפרטורות נמוכות כדי להרחיב את מגבלת טמפרטורות הקירור. השפעות תרמו-אלקטריות גדולות באופן חריג דווחו בטמפרטורות נמוכות במוליכי-על מסוימים, והשוואה לנתונים הנוכחיים עשויה לספק רמז למקורן.

פיתוח עתידי

עניין אקדמי שפותח במחקר זה הוא הדגמת התחזית התיאורטית כי במוליכי-על דו-ממדיים עם השפעות לוקליזציה חזקות יותר מהמדגם הנוכחי, קווי השטף המגנטי יהיו במצב מעובה קוונטי6. בהמשך, אנו מתכננים לפרוס ניסויים תוך שימוש בשיטות של מחקר זה במטרה לאתר אותם.

תוצאות המחקר הזה פורסמו באינטרנט ב תקשורת טבע ב-16 במרץ, 2024.

תנאים

1. תנודות במוליכות-על: חוזק המוליכות העל אינו אחיד ומשתנה בזמן ובמרחב. זה נורמלי להתרחשות תנודות תרמיות, אבל ליד האפס המוחלט, תנודות קוונטיות מתרחשות על בסיס עקרון אי הוודאות המכאנית הקוונטית.
2. אפקט טרמו-אלקטרי: השפעה של החלפת אנרגיה תרמית וחשמלית. מתח נוצר כאשר מופעל הפרש טמפרטורה, בעוד שהפרש טמפרטורה נוצר כאשר מופעל מתח. הראשון נלמד ליישום כמכשיר לייצור חשמל והשני כמכשיר קירור. במחקר זה הוא משמש כשיטה לזיהוי תנודות במוליכות-על.
3. מוליכות-על דו מימדית: מוליך-על דק מאוד. כאשר העובי הופך דק יותר מהמרחק בין זוגות האלקטרונים האחראים על מוליכות העל, השפעת התנודות במוליכות העל מתחזקת, ותכונות המוליכים שונות מאוד מאלו של מוליכים עבים יותר.
4. נקודה קריטית קוונטית, מעבר פאזה קוונטי: מעבר פאזה המתרחש באפס מוחלט כאשר פרמטר כגון שדה מגנטי משתנה נקרא מעבר פאזה קוונטי, והוא נבדל ממעבר פאזה הנגרם על ידי שינוי טמפרטורה. הנקודה הקריטית הקוונטית היא נקודת מעבר הפאזה שבה מעבר פאזה קוונטיס להתרחש והיכן התנודות הקוונטיות החזקות ביותר.
5. מבנה אמורפי: מבנה של חומר שבו אטומים מסודרים בצורה לא סדירה ואין לו מבנה גבישי.
6. מצב מעובה קוונטי: מצב בו מספר רב של חלקיקים נופלים למצב האנרגיה הנמוך ביותר ומתנהגים כגל מקרוסקופי יחיד. במצב מוליך על, זוגות רבים של אלקטרונים מתעבים. הליום נוזלי מתעבה גם בקירור ל-2.17 K, ומייצר נזילות-על עם צמיגות אפס.