Terobosan Kuantum Mengungkap Sifat Tersembunyi Superkonduktor

Efek termoelektrik mengungkapkan gambaran lengkap fluktuasi superkonduktivitas.

Fluktuasi superkonduktivitas yang lemah,⁽¹⁾ sebuah fenomena pendahulu superkonduktivitas, telah berhasil dideteksi oleh kelompok penelitian di Institut Teknologi Tokyo (Tokyo Tech). Terobosan ini dicapai dengan mengukur efek termoelektrik⁽²⁾ dalam superkonduktor pada rentang medan magnet yang luas dan rentang suhu yang luas, mulai dari suhu transisi yang jauh lebih tinggi daripada suhu transisi superkonduktor hingga suhu yang sangat rendah mendekati nol mutlak.

Hal ini mengungkapkan gambaran lengkap fluktuasi superkonduktivitas sehubungan dengan suhu dan medan magnet, dan menunjukkan asal mula keadaan logam anomali dalam medan magnet, yang telah menjadi masalah yang belum terpecahkan di bidang superkonduktivitas dua dimensi.⁽³⁾ selama 30 tahun, adalah adanya titik kritis kuantum⁽⁴⁾ di mana fluktuasi kuantum berada pada titik terkuatnya.

Memahami Superkonduktor

Superkonduktor adalah bahan yang elektronnya berpasangan pada suhu rendah sehingga hambatan listriknya nol. Ini digunakan sebagai bahan elektromagnet kuat dalam MRI medis dan aplikasi lainnya. Mereka juga dianggap penting sebagai elemen logika kecil dalam komputer kuantum yang beroperasi pada suhu kriogenik, dan terdapat kebutuhan untuk menjelaskan sifat-sifat superkonduktor pada suhu kriogenik ketika superkonduktor diminiaturisasi.

Superkonduktor dua dimensi yang atomnya tipis sangat dipengaruhi oleh fluktuasi dan dengan demikian menunjukkan sifat yang berbeda secara signifikan dari superkonduktor yang lebih tebal. Ada dua jenis fluktuasi: termal (klasik), yang lebih terasa pada suhu tinggi, dan kuantum, yang lebih penting pada suhu sangat rendah, dan yang terakhir menyebabkan berbagai fenomena menarik.

Misalnya, ketika medan magnet diterapkan secara tegak lurus ke superkonduktor dua dimensi pada nol mutlak dan meningkat, terjadi transisi dari superkonduktivitas resistansi nol ke isolator dengan elektron terlokalisasi. Fenomena ini disebut transisi superkonduktor-isolator yang diinduksi medan magnet dan merupakan contoh khas transisi fase kuantum⁽⁴⁾ disebabkan oleh fluktuasi kuantum.

Namun, telah diketahui sejak tahun 1990an bahwa untuk sampel dengan efek lokalisasi yang relatif lemah, keadaan logam yang tidak wajar muncul di wilayah medan magnet menengah di mana hambatan listrik beberapa kali lipat lebih rendah dari keadaan normal. Asal usul keadaan logam anomali ini dianggap sebagai keadaan seperti cairan di mana garis fluks magnet (Gbr. 1 kiri) yang menembus ke dalam superkonduktor bergerak karena fluktuasi kuantum.

Namun prediksi ini belum terbukti karena sebagian besar percobaan sebelumnya pada superkonduktor dua dimensi telah menggunakan pengukuran resistivitas listrik yang menguji respon tegangan terhadap arus, sehingga sulit untuk membedakan antara sinyal tegangan yang berasal dari pergerakan garis fluks magnet dan yang berasal dari pergerakan garis fluks magnet. hamburan elektron yang berkonduksi normal.

Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Asisten Profesor Koichiro Ienaga dan Profesor Satoshi Okuma dari Departemen Fisika, Sekolah Sains di Tokyo Tech melaporkan di Surat Tinjauan Fisik pada tahun 2020 gerakan kuantum garis fluks magnet terjadi dalam keadaan logam anomali dengan menggunakan efek termoelektrik, di mana tegangan dihasilkan sehubungan dengan aliran panas (gradien suhu) dan bukan arus.

Namun, untuk lebih memperjelas asal mula keadaan logam anomali, perlu dijelaskan mekanisme dimana keadaan superkonduktor dihancurkan oleh fluktuasi kuantum dan transisi ke keadaan normal (isolasi). Dalam penelitian ini, mereka melakukan pengukuran yang bertujuan untuk mendeteksi keadaan fluktuasi superkonduktor (tengah Gambar 1), yang merupakan keadaan prekursor superkonduktivitas dan dianggap ada dalam keadaan normal.

Prestasi dan Teknik Penelitian

Dalam penelitian ini, molibdenum-germanium (Mo_XGe_1-X) film pendekS dengan struktur amorf,⁽⁵⁾ dikenal sebagai superkonduktor dua dimensi dengan struktur dan ketidakteraturan yang seragam, dibuat dan digunakan. Tebalnya 10 nanometer (satu nanometer sama dengan sepersejuta meter) dan menjanjikan efek fluktuasi yang merupakan karakteristik sistem dua dimensi.

Karena sinyal fluktuasi tidak dapat dideteksi dengan pengukuran resistivitas listrik karena terkubur dalam sinyal hamburan elektron berkonduksi normal, kami melakukan pengukuran efek termoelektrik, yang dapat mendeteksi dua jenis fluktuasi: (1) fluktuasi superkonduktor (fluktuasi amplitudo superkonduktivitas ) dan (2) gerak garis fluks magnet (fluktuasi fase superkonduktivitas).

Ketika perbedaan suhu diterapkan dalam arah memanjang sampel, fluktuasi superkonduktor dan pergerakan garis fluks magnet menghasilkan tegangan dalam arah melintang. Sebaliknya, gerakan elektron normal menghasilkan tegangan terutama dalam arah memanjang. Khususnya pada sampel seperti bahan amorf, di mana elektron tidak mudah bergerak, tegangan yang dihasilkan oleh elektron dalam arah transversal dapat diabaikan, sehingga kontribusi fluktuasi saja dapat dideteksi secara selektif dengan mengukur tegangan transversal (Gbr. 1, kanan).

Efek termoelektrik diukur dalam berbagai medan magnet dan dalam berbagai suhu mulai dari suhu transisi yang jauh lebih tinggi daripada suhu transisi superkonduktor yaitu 2,4 K (Kelvin) hingga suhu yang sangat rendah yaitu 0,1 K (1/3000 dari 300 K, suhu ruangan ), yang mendekati nol mutlak. Hal ini mengungkapkan bahwa fluktuasi superkonduktor bertahan tidak hanya di wilayah cair fluks magnet (wilayah merah tua pada Gambar 2), di mana fluktuasi fase superkonduktor lebih jelas, tetapi juga di wilayah medan suhu-magnet yang luas lebih jauh ke luar yang dianggap sebagai menjadi wilayah keadaan normal, di mana superkonduktivitas dihancurkan (wilayah suhu tinggi dan medan magnet tinggi di atas garis padat cembung atas pada Gambar 2). Khususnya, garis persilangan antara fluktuasi termal (klasik) dan kuantum berhasil dideteksi untuk pertama kalinya (garis padat tebal pada Gambar 2).

Nilai medan magnet ketika garis persilangan mencapai nol mutlak kemungkinan besar sesuai dengan titik kritis kuantum di mana fluktuasi kuantum paling kuat, dan titik tersebut (lingkaran putih pada Gambar 2) jelas terletak di dalam rentang medan magnet di mana keadaan logam anomali diamati pada hambatan listrik. Keberadaan titik kritis kuantum ini belum dapat dideteksi dari pengukuran resistivitas listrik hingga saat ini.

Hasil ini mengungkapkan bahwa keadaan logam anomali dalam medan magnet nol mutlak pada superkonduktor dua dimensi, yang masih belum terselesaikan selama 30 tahun, berasal dari keberadaan titik kritis kuantum. Dengan kata lain, keadaan logam anomali adalah keadaan dasar kritis kuantum yang diperluas untuk transisi superkonduktor-isolator.

Implikasi

Pengukuran efek termoelektrik yang diperoleh untuk superkonduktor konvensional amorf dapat dianggap sebagai data standar untuk efek termoelektrik pada superkonduktor, karena pengukuran tersebut murni menangkap efek fluktuasi superkonduktivitas tanpa kontribusi elektron dalam keadaan normal. Efek termoelektrik penting dalam penerapannya pada sistem pendingin listrik, dll., dan terdapat kebutuhan untuk mengembangkan bahan yang menunjukkan efek termoelektrik besar pada suhu rendah untuk memperluas batas suhu pendinginan. Efek termoelektrik yang sangat besar telah dilaporkan pada suhu rendah di superkonduktor tertentu, dan perbandingan dengan data saat ini dapat memberikan petunjuk tentang asal usulnya.

Pengembangan masa depan

Kepentingan akademis yang akan dikembangkan dalam penelitian ini adalah menunjukkan prediksi teoretis bahwa pada superkonduktor dua dimensi dengan efek lokalisasi yang lebih kuat daripada sampel saat ini, garis fluks magnet akan berada dalam keadaan terkondensasi kuantum6. Kedepannya, kami berencana untuk menerapkan eksperimen menggunakan metode penelitian ini dengan tujuan mendeteksinya.

Hasil penelitian ini dipublikasikan secara online di Komunikasi Alam pada 16 Maret 2024.

Ketentuan

1. Fluktuasi superkonduktivitas: Kekuatan superkonduktivitas tidak seragam dan berfluktuasi dalam ruang dan waktu. Fluktuasi termal yang terjadi adalah hal yang normal, tetapi mendekati nol mutlak, fluktuasi kuantum terjadi berdasarkan prinsip ketidakpastian mekanika kuantum.
2. Efek termoelektrik: Efek pertukaran energi panas dan listrik. Tegangan dihasilkan ketika perbedaan suhu diterapkan, sedangkan perbedaan suhu dihasilkan ketika tegangan diterapkan. Yang pertama sedang dipelajari untuk aplikasi sebagai perangkat pembangkit listrik dan yang terakhir sebagai perangkat pendingin. Dalam penelitian ini digunakan sebagai metode untuk mendeteksi fluktuasi superkonduktivitas.
3. Superkonduktivitas dua dimensi: Superkonduktor yang sangat tipis. Ketika ketebalan menjadi lebih tipis dari jarak antara pasangan elektron yang menyebabkan superkonduktivitas, efek fluktuasi superkonduktivitas menjadi lebih kuat, dan sifat superkonduktor sangat berbeda dengan superkonduktor yang lebih tebal.
4. Titik kritis kuantum, transisi fase kuantum: Transisi fase yang terjadi pada nol mutlak ketika parameter seperti medan magnet diubah disebut transisi fase kuantum, dan dibedakan dari transisi fase yang disebabkan oleh perubahan suhu. Titik kritis kuantum adalah titik transisi fase tempat terjadinya transisi fase kuantumS terjadi dan di mana fluktuasi kuantum paling kuat.
5. Struktur amorf: Struktur material yang atom-atomnya tersusun tidak beraturan dan tidak memiliki struktur kristal.
6. Keadaan terkondensasi kuantum: Suatu keadaan di mana sejumlah besar partikel jatuh ke tingkat energi terendah dan berperilaku sebagai gelombang makroskopis tunggal. Dalam keadaan superkonduktor, banyak pasangan elektron yang terkondensasi. Helium cair juga mengembun ketika didinginkan hingga 2,17 K, menghasilkan superfluiditas dengan viskositas nol.

Referensi: “Keadaan dasar kritis kuantum yang diperluas dalam film tipis superkonduktor yang tidak teratur” oleh Koichiro Ienaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami dan Satoshi Okuma, 16 Maret 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-46628-7