Добавить новость
smi24.net
News in English
Март
2024

Discovery of a Hidden Quantum Critical Point in Two-Dimensional Superconductors Thermoelectric Effect Reveals Full Picture of Fluctuations in Superconductivity

0

Weak fluctuations in superconductivity[1], a precursor phenomenon to superconductivity, have been successfully detected by a research group of Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech). This breakthrough was achieved by measuring the thermoelectric effect[2] in superconductors over a wide range of magnetic fields and over a wide range of temperatures from much higher than the superconducting transition temperature to very low temperatures near absolute zero. This revealed the full picture of fluctuations in superconductivity with respect to temperature and magnetic field, and demonstrated that the origin of the anomalous metallic state in magnetic fields, which has been an unsolved problem in the field of two-dimensional superconductivity[3] for 30 years, is the existence of a quantum critical point[4] where quantum fluctuations are at their strongest.

Background

A superconductor is a material in which electrons pair up at low temperatures, resulting in zero electrical resistance. It is used as a material for powerful electromagnets in medical MRI and other applications. They are also deemed crucial as tiny logic elements in quantum computers that operate at cryogenic temperatures, and there is a need to elucidate the properties of superconductors at cryogenic temperatures when they are microminiaturized.

Atomically thin two-dimensional superconductors are strongly affected by fluctuations and thus exhibit properties that differ significantly from those of thicker superconductors. There are two types of fluctuations: thermal (classical), which is more pronounced at high temperatures, and quantum, which is more important at very low temperatures, and the latter causes a variety of interesting phenomena. For example, when a magnetic field is applied perpendicularly to a two-dimensional superconductor at absolute zero and increased, a transition occurs from zero resistance superconductivity to an insulator with localized electrons. This phenomenon is called the magnetic field-induced superconductor-insulator transition and is a typical example of a quantum phase transition[4] caused by quantum fluctuations. However, it has been known since the 1990s that for samples with relatively weak localization effects, an anomalous metallic state appears in the intermediate magnetic field region where the electrical resistance is several orders of magnitude lower than the normal state. The origin of this anomalous metallic state is thought to be a liquid-like state in which magnetic flux lines (Fig. 1 left) that penetrate into the superconductor move around due to quantum fluctuations. However, this prediction has not been substantiated because most previous experiments on two-dimensional superconductors have used electrical resistivity measurements that examine the voltage response to current, making it difficult to distinguish between voltage signals originating from the motion of magnetic flux lines and those originating from the scattering of normal-conducting electrons.

Figure 1. Two Types of Fluctuations in Superconductors and their Detection by Thermoelectric Effect Measurement

(Left) In a magnetic field of moderate magnitude, magnetic flux lines penetrate in the form of defects accompanied by vortices of superconducting currents. (Center) Conceptual diagram of the "superconducting fluctuation" state, a precursor to superconductivity. Time-varying, spatially non-uniform, bubble-like superconducting regions are formed. (Right) Schematic diagram of thermoelectric effect measurement. Magnetic flux line motion and superconducting fluctuations generate a voltage perpendicular to the heat flow (temperature gradient).

A research team led by Assistant Professor Koichiro Ienaga and Professor Satoshi Okuma of the Department of Physics, School of Science at Tokyo Tech reported in Physical Review Letters in 2020 that quantum motion of magnetic flux lines occurs in an anomalous metallic state by using the thermoelectric effect, in which voltage is generated with respect to heat flow (temperature gradient) rather than current. However, to further clarify the origin of the anomalous metallic state, it is necessary to elucidate the mechanism by which the superconducting state is destroyed by quantum fluctuation and transitions to the normal (insulating) state. In this study, they performed measurements aimed at detecting the superconducting fluctuation state (center of Fig. 1), which is a precursor state of superconductivity and is thought to exist in the normal state.

Research results

In this study, a molybdenum-germanium (MoxGe1-x) thin film with an amorphous structure[5], known as a two-dimensional superconductor with uniform structure and disorder, was fabricated and used. It is 10 nanometers thick (one nanometer is one billionth of a meter) and promises to have the fluctuation effects characteristic of two-dimensional systems. Since fluctuation signals cannot be detected by electrical resistivity measurements because they are buried in the signal of normal-conducting electron scattering, we performed thermoelectric effect measurements, which can detect two types of fluctuations: (1) superconducting fluctuations (fluctuations in the amplitude of superconductivity) and (2) magnetic flux line motion (fluctuations in the phase of superconductivity). When a temperature difference is applied in the longitudinal direction of the sample, the superconducting fluctuations and the motion of the magnetic flux lines generate a voltage in the transverse direction. In contrast, normal electron motion generates voltage primarily in the longitudinal direction. Especially in samples such as amorphous materials, where electrons do not move easily, the voltage generated by electrons in the transverse direction is negligible, so the fluctuation contribution alone can be selectively detected by measuring the transverse voltage (Fig. 1, right).

The thermoelectric effect was measured in a variety of magnetic fields and in a variety of temperatures ranging from much higher than the superconducting transition temperature of 2.4 K (Kelvin) to very low temperature of 0.1 K (1/3000 of 300 K, the room temperature), which is close to absolute zero. That reveals that superconducting fluctuations survive not only in the liquid region of the magnetic flux (dark red region in Fig. 2), where superconducting phase fluctuations are more pronounced, but also over a wide temperature-magnetic field region farther outwards that is considered to be the normal-state region, where superconductivity is destroyed (the high-temperature and high-magnetic field region above the upper convex solid line in Fig. 2). Notably, the crossover line between thermal (classical) and quantum fluctuations was successfully detected for the first time (thick solid line in Fig. 2). The value of the magnetic field when the crossover line reaches absolute zero likely corresponds to the quantum critical point where quantum fluctuations are strongest, and that point (white circle in Fig. 2) is clearly located inside the magnetic field range where an anomalous metallic state was observed in the electrical resistance. It was not possible to detect the existence of this quantum critical point from electrical resistivity measurements until now. This result reveals that the anomalous metallic state in a magnetic field at absolute zero in two-dimensional superconductors, which has remained unresolved for 30 years, originates from the existence of the quantum critical point. In other words, the anomalous metallic state is a broadened quantum critical ground state for the superconductor-insulator transition.

Figure 2. Color map of a thermoelectric signal that captures the fluctuations in superconductivity

The full picture of fluctuations in superconductivity has been revealed over a wide magnetic field range and over a wide temperature range, from much higher than the superconducting transition temperature to very low temperature of 0.1 K. The existence of a crossover line between thermal (classical) and quantum fluctuations is demonstrated for the first time, and the quantum critical point where this line reaches absolute zero is found to exist inside the anomalous metallic region.

Social impact

The thermoelectric effect measurements obtained for amorphous conventional superconductors can be regarded as standard data for the thermoelectric effect on superconductors, since they capture purely the effect of fluctuations in superconductivity without the contribution of normal-state electrons. The thermoelectric effect is important in terms of its application to electric cooling systems, etc., and there is a need to develop materials that exhibit a large thermoelectric effect at low temperatures to extend the limit of cooling temperatures. Anomalously large thermoelectric effects have been reported at low temperatures in certain superconductors, and comparison with the present data may provide a clue to their origin.

Future development

Of academic interest that will be developed in this study is demonstrating the theoretical prediction that in two-dimensional superconductors with stronger localization effects than the present sample, the magnetic flux lines will be in a quantum condensed state[6]. Moving forward, we plan to deploy experiments using the methods of this study with the aim of detecting them.

The results of this study were published online in Nature Communications on March 16th, 2024.

Terms

[1] Fluctuations in superconductivity : The strength of superconductivity is not uniform and fluctuates in time and space. It is normal for thermal fluctuations to occur, but near absolute zero, quantum fluctuations occur based on the quantum mechanical uncertainty principle.

[2] Thermoelectric effect : An effect of exchanging thermal and electrical energy. A voltage is generated when a temperature difference is applied, while a temperature difference is produced when a voltage is applied. The former is being studied for application as a power generation device and the latter as a cooling device. In this study, it is used as a method to detect fluctuations in superconductivity.

[3] Two-dimensional superconductivity : A very thin superconductor. When the thickness becomes thinner than the distance between the pairs of electrons responsible for superconductivity, the effect of fluctuations in superconductivity becomes stronger, and the properties of the superconductors are very different from those of thicker superconductors.

[4] Quantum critical point, quantum phase transition : A phase transition that occurs at absolute zero when a parameter such as a magnetic field is changed is called a quantum phase transition, and is distinguished from a phase transition caused by a temperature change. The quantum critical point is the phase transition point where a quantum phase transition occurs and where quantum fluctuations are strongest.

[5] Amorphous structure : A structure of material in which atoms are arranged in an irregular manner and which has no crystalline structure.

[6] Quantum condensed state : A state in which a large number of particles fall into the lowest energy state and behave as a singular macroscopic wave. In the superconducting state, many pairs of electrons are condensed. Liquid helium also condenses when cooled to 2.17 K, producing a superfluidity with zero viscosity.

Reference

Authors :
Koichiro Ienaga, Yutaka Tamoto, Masahiro Yoda, Yuki Yoshimura, Takahiro Ishigami, and Satoshi Okuma
Title :
Broadened quantum critical ground state in a disordered superconducting thin film
Journal :
Nature Communications
DOI :
Affiliations :
Department of Physics, Tokyo Institute of Technology, Japan

Related

School of Science —Exploring the Truth and Creating Knowledge—
Information on School of Science inaugurated in April 2016

School of Science

Schools, Departments, and Institute for Liberal Arts

Further Information

Assistant Professor Koichiro Ienaga

School of Science, Tokyo Institute of Technology

Email ienaga.k.aa@m.titech.ac.jp / koichiro.ienaga@gmail.com
Tel +81-3-5734-2732

Contact

Public Relations Division, Tokyo Institute of Technology

Email media@jim.titech.ac.jp
Tel +81-3-5734-2975








Звезды тогда и сейчас: как выглядят самые красивые женщины Голливуда

Раздвигая горы - к единству и созиданию! Манифест лезгинского народа (письменное обращение, воззвание программного характера)

В парке больницы цветут молодые липы

Ваше душевное благополучие важно: когда и как лечение в стационаре становится шагом к себе


The Best Story Of Chicago Bulls’ Offseason Just Got A Happy Ending

Why Juventus spent 111m this summer for only one new player

OpenAI warns that its new ChatGPT Agent has the ability to aid dangerous bioweapon development

The founder of Deliciously Ella started a blog when suffering from severe chronic pain. Now, her multimillion-dollar snack empire is going global


Нацпроектстрой изготовил уникальное оборудование для столичного моста парус

Вечер в Кулогорах...

Аделина Панина: как силой мысли заставить человека написать или позвонить

Дивеево ..


Настройки GameHub и Winlator для игры в Prey (2017) на Android

Bungie promises to fix Destiny 2's new metroid-style morph ball as it makes players sick and glitches out on ultrawide monitors

'I destroyed months of your work in seconds' says AI coding tool after deleting a devs entire database during a code freeze: 'I panicked instead of thinking'

Microsoft warns of 'active attacks' on its government and business server tech, with one cybersecurity expert claiming that they should 'assume that you have been compromised'



Движение к победе: в России стартует премия «Мы верим твердо в героев спорта»

Аделина Панина: как силой мысли заставить человека написать или позвонить

Летняя школа Русского дома приняла детей из Карабаха

Кайрат Бермуканов поддержал Петра Яна перед боем в Абу‑Даби


Лео Канделаки и Анжелика Стубайло сыграют в новую трэвел-игру «Кто куда» на ТНТ

Нам есть чем гордиться: каким будет Национальный центр «Россия» на Краснопресненской набережной

Протест против закона о поиске экстремистских материалов: в Москве прошли задержания активистов у Госдумы

Хаски на Summer Sound – выиграй билеты на Like FM


В Ярославле из-за возможного отравления пассажиров проверяют теплоход

Командная работа: более 15 млн рублей направят на развитие первичных отделений Движения Первых в Свердловской области

США в случае введения вторичных пошлин против РФ призовут и Европу присоединиться к этим мерам

Под Тамбовом пройдёт фестиваль авторской песни "Там, под Лысой Горой"


Мирра Андреева из России удерживает пятую позицию в рейтинге WTA.

Штаты и расписание: что ждет наших ведущих теннисистов в США

Теннисистка Мур высказалась о проблемах в антидопинговой системе.

Вероника Кудерметова оценила экстрим-парк «Урам» в Казани


Кайрат Бермуканов поддержал Петра Яна перед боем в Абу‑Даби

Мосбиржа начала расчет индекса создания стоимости в рамках инициативы с ЦБ РФ

Бесплатный курс и бесплатное обучение дизайну с личным наставником. Веб дизайн, UX дизайн, графический дизайн, дизайн для маркетплейсов

Новое оборудование Dekree: грохоты с высокой пропускной способностью


Музыкальные новости

«А у кого нет проблем?»: Филипп Киркоров заговорил про здоровье после полученного ожога

Алексей Парамонов о скандале: отмена концерта Валерия Гергиева в Италии

На ферме Оксаны Самойловой и Джигана появился новый необычный питомец

Клипмейкер. Лучший Клипмейкер. Клипмейкер в Москве.


Нам есть чем гордиться: каким будет Национальный центр «Россия» на Краснопресненской набережной

Кайрат Бермуканов поддержал Петра Яна перед боем в Абу‑Даби

Движение к победе: в России стартует премия «Мы верим твердо в героев спорта»

Летняя школа Русского дома приняла детей из Карабаха


Движение к победе: в России стартует премия «Мы верим твердо в героев спорта»

"Выездные мастер-классы" Межвузовского Чемпионата КВН Санкт-Петербурга

«Роскосмос» показал непогоду над Москвой

Рискнул на 100 тысяч рублей: инженер из Смоленска купил более 1,7 тысячи лотерейных билетов и выиграл автомобиль от «Национальной Лотереи» и РОЛЬФ на VK Fest


На МКАД из-за аварии образовалась пробка длиной в три километра

Рискнул на 100 тысяч рублей: инженер из Смоленска купил более 1,7 тысячи лотерейных билетов и выиграл автомобиль от «Национальной Лотереи» и РОЛЬФ на VK Fest

25 июля пилотажная группа "Звезда" пролетит над пробками на шоссе под Москвой

Москвичей предупредили о задержках наземного транспорта из-за ливня


Путин отметил успехи российских школьников на математической олимпиаде.

Путин отметил победу синхрониста Мальцева на чемпионате мира в Сингапуре.

Министр юстиции поделился информацией о роли адвокатов в специальной военной операции.

Нам есть чем гордиться: каким будет Национальный центр «Россия» на Краснопресненской набережной




После вспышки инфекции на теплоходе «Леонид Красин» начали расследование

Уже не крепкий орешек: как Брюс Уиллис живет с неизлечимой болезнью

«Я на инвалидном кресле, он на «Тесле»: что случилось с блогером Мариш Мариш

Собянин: создание 5 центров женского здоровья завершат в этом году


«СТРАНА.ua»: Зеленский раскритиковал ЕС за непредоставление обещанной помощи

Пока вы не уснули: открытая поддержка Алиевым Киева и «подзатыльник» Зеленскому от Трампа


KENGURU GAMES в Звенигороде звенели на всю страну

Кайрат Бермуканов поддержал Петра Яна перед боем в Абу‑Даби

Уже 59 орловчан решили побороться за просветительскую награду «Знание. Премия»

В Москве впервые пройдет фестиваль экстремальных видов спорта


Лукашенко призвал белорусских нефтяников «не раскачиваться, а бурить и бурить»

Куда Лукашенко хочет пристроить лишних дипломатов

Юрист Трампа Коул рассказал, как пил водку с Лукашенко в Минске

Посланник Трампа рассказал, как «неформально» договаривался с Лукашенко: после нескольких тостов Минск освободил политзаключенных


Собянин: Модернизация двух корпусов ГКБ имени Вересаева завершится в этом году

Более 800 спортивных площадок обновят и обустроят в Москве - Сергей Собянин

Собянин рассказал, как город заботится о природе при строительстве метро

Сергей Собянин открыл школу на 1100 мест в стремительно растущей Коммунарке


Зарядки для электромобилей «Энергия Москвы» станут платными

Собянин рассказал, как Москва заботится о природе при строительстве метро

Россияне рассказали, по каким критериям выбирают квартиру для покупки в 2025 году

Уже 59 орловчан решили побороться за просветительскую награду «Знание. Премия»


Как быстро систематизировать бизнес: инструменты и сервис ABR PRO

Высокопроизводительные электродвигатели от компании JackShaft

В Москве по делу о взятке арестовали министра транспорта Новгородской области

Инсайдер Карпов: "Спартак" предложил "Динамо" Мх за Пальцева 250 млн рублей


Собянин: Первый участок Рублево-Архангельской линии метро полностью пройден

Центр подготовки личного состава Северо-Западного округа Росгвардии пополнили призывники

Девочка упала при посадке на теплоход в порту Архангельска

Республика Алтай вошла в десятку регионов России по развитию ипотеки


Поезда "Таврия" по-прежнему задерживаются из-за ЧП в Ростовской области

Актуальная информация о задержке поездов в Крым и обратно

В Симферополе наградили юных крымчан за отвагу и решительность

В Симферополе на базе «Клинического госпиталя для ветеранов войн» функционирует гериатрический центр для пожилых людей с возрастными нарушениями


Герман Стерлигов посоветовал россиянам запастись гробами

После вспышки инфекции на теплоходе «Леонид Красин» начали расследование

Инсайдер Карпов: "Спартак" предложил "Динамо" Мх за Пальцева 250 млн рублей

Бесплатный курс и бесплатное обучение дизайну с личным наставником. Веб дизайн, UX дизайн, графический дизайн, дизайн для маркетплейсов














СМИ24.net — правдивые новости, непрерывно 24/7 на русском языке с ежеминутным обновлением *