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








VZLET.MEDIA: 25 лет успешного SEO-продвижения в эпоху искусственного интеллекта

Paul Oakenfold возвращается в Россию: легенда электронной музыки даст концерты в Москве и Петербурге спустя 7 лет

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

«Это лучшее, что я видела за последнее время». «Тату» вернулись и уже дают концерты. Почему за ними следит вся страна?


Brit Who Fought Usyk Calls For Daniel Dubois To ‘Leave The Sport’ After Staying Down In Rematch

La UFC anuncia un mes de octubre mayúsculo

Adil Rami carga contra Lamine: "No puedo ni verlo, que le den..."

Las 'Guerreras del Agua' se dan un baño de bronce en el Mundial de Singapur


Дивеево ..

Первый маршрут теплохода-ресторана открылся из Петербурга в Кронштадт

Предгрозовое...

Monochamus scutellatus


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'

Краткая биографическая справка о центральных персонажах Mafia: The Old Country

The dairy industry would like Gen Z to drink more milk, so they made a Fortnite diner tycoon game

'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'



В Третьяковке на Кадашевской набережной открылся концертный зал

Оркестр полиции Республики Сербской впервые выступит на фестивале «Спасская башня» в Москве

«Каникулы с Росгвардией» проходят в регионах Центральной России

Оркестр полиции Республики Сербской впервые выступит на фестивале «Спасская башня» в Москве


Игровые терминалы в ТЦ: союз ради будущего

Вредоносный код в Firefox: атака на цепочку поставок через NPM-пакеты

Синоптик Тишковец: череда тропических ливней в Москве завершена

ДельтаЛизинг продолжает раскрывать секреты успеха российских предпринимателей


Путин призвал жёстко пресекать вмешательство извне: «Суверенитет и ценности — под защитой»

Обломки сбитых дронов повредили контактную сеть на станциях в двух регионах РФ

Врач Галлямова: сухие шампуни могут навредить коже головы

В сентябре Путину будет представлена обновленная программа строительства кораблей для ВМФ.


Винус Уильямс получила wild card на турнир категории WTA 1000 в Цинциннати

Болбой раздавил спасенного теннисисткой Cаккари жука на турнире WTA-500 в США

Мирра Андреева из России удерживает пятую позицию в рейтинге WTA.

Медведев обыграл У Ибина и вышел в 1/4 финала турнира в Вашингтоне


Ученый Толстых объяснил, что московские ливни вызваны мощным атлантическим циклоном

«Был пар и вибрация»: пассажиры жаловались на состояние Ан-24 перед катастрофой

Девушка Рая отреагировала на использование ее лица во время выступления Элджея

Прогноз погоды на сегодня, 25 июля


Музыкальные новости

Баскова, Киркорова и Лазарева погнали с экранов: попались на непотребщине

Оркестр полиции Республики Сербской впервые выступит на фестивале «Спасская башня» в Москве

Аранжировка Песен. Аранжировка Музыки. Создание Аранжировок.

Рэпер Баста открыл свой ресторан в Marins Park Hotel Екатеринбург


В Третьяковке на Кадашевской набережной открылся концертный зал

Оркестр полиции Республики Сербской впервые выступит на фестивале «Спасская башня» в Москве

«Каникулы с Росгвардией» проходят в регионах Центральной России

Оркестр полиции Республики Сербской впервые выступит на фестивале «Спасская башня» в Москве


Водитель Audi сбил трех пешеходов, переходивших дорогу на западе Москвы

По итогам первого полугодия 2025 года предприятия «ЛокоТех-Сервис» отремонтировали более 1 тыс. секций локомотивов сверх плана и повысили качество сервисного обслуживания

"Монсон о спортсменах, которые меняют гражданство в сложный период для России"

Okko и ТНТ выпустят драмеди про трёх сестёр «Хай, систерс»


Несколько автомобилей столкнулись на внешней стороне 92-го км МКАД

Водитель Audi сбил трех пешеходов, переходивших дорогу на западе Москвы

В Москве росгвардейцы оказали помощь пострадавшей в ДТП мотоциклистке (видео)

На МКАД в Москве произошло массовое ДТП, движение затруднено


Путин дал указание рассмотреть проблемы онкологии в Архангельской области.

Соболезнования в связи с авиакатастрофой в Амурской области выразили зарубежные лидеры

В сентябре Путину будет представлена обновленная программа строительства кораблей для ВМФ.

"Ультиматум Трампа: потенциальные последствия для Путина"


Депздрав Москвы: новый штамм коронавируса "стратус" фиксируют в Москве с мая

Депздрав: новый штамм коронавируса «стратус» фиксируют в Москве с мая

Новый штамм коронавируса "стратус" фиксируют в Москве с мая

Обнаружен новый штамм коронавируса: он очень заразный и забирает голос



Депздрав Москвы: новый штамм коронавируса "стратус" фиксируют в Москве с мая

Новый штамм коронавируса "стратус" фиксируют в Москве с мая

Фитнес-марафоны на паузе: суд продлил домашний арест блогеру Лерчек

Путин дал указание рассмотреть проблемы онкологии в Архангельской области.


Британский журналист: Зеленский - мелкий жулик и крыса, которому «недолго осталось» в этом мире


Пять земельных участков для размещения НКО доступны на городских торгах

«Каникулы с Росгвардией» проходят в регионах Центральной России

Две трети россиян считают, что спортсмены зарабатывают слишком много

"Монсон о спортсменах, которые меняют гражданство в сложный период для России"


Лукашенко с иронией отнесся к санкциям, запрещающим ему въезд в Эстонию

Лукашенко посоветовал не злить его и не допускать падежа в животноводстве

Лукашенко поделился мнением о самой идеальной профессии.

Лукашенко заявил, что в Белоруссии «на всякий случай» готовятся к войне


Мэр Москвы: Улучшим транспортную доступность Южного и Северного Бутова

Сергей Собянин осмотрел Дом-музей Федора Конюхова

Сергей Собянин поздравил москвича — победителя международной олимпиады по физике

Собянин: Около 10 тыс. москвичей начали переселение по реновации этим летом


6 лет вместе. В Москве пройдет выставка, посвященная пандам Жуи и Диндин

Детеныш краснокнижной боливийской обезьяны появился на свет в Московском зоопарке

Московские студенты начали исследовать влияние климатических изменений на сток рек Ямала

В центре внимания: CorpSoft24 вошел в рейтинг крупнейших ИТ-компаний России


Врач Щетинина: натуральные соки могут навредить здоровью пожилых

Игровые терминалы в ТЦ: союз ради будущего

«Был пар и вибрация»: пассажиры жаловались на состояние Ан-24 перед катастрофой

Девушка Рая отреагировала на использование ее лица во время выступления Элджея


Путин дал указание рассмотреть проблемы онкологии в Архангельской области.

70 участников СВО в Архангельске показали мотивацию выше госслужащих — Цыбульский

В Нарьян-Маре из-за холодов возобновили подачу отопления в дома

В Архангельске началось обучение бойцов СВО, сообщил Цыбульский.


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

Лавандовое поле горит в Симферопольском районе Крыма

"Россия дала мне возможность быть счастливым": Джефф Монсон в Крыму

Россияне выбирают Крым для отдыха с детьми – названы города-лидеры


Игровые терминалы в ТЦ: союз ради будущего

Прогноз погоды на сегодня, 25 июля

Обломки сбитых дронов повредили контактную сеть на станциях в двух регионах РФ

«Был пар и вибрация»: пассажиры жаловались на состояние Ан-24 перед катастрофой














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