'Sudden death' von Quantenfluktuationen widersetzt sich aktuellen Theorien der Supraleitfähigkeit.

12. Januar 2024

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von Tom Garlinghouse, Princeton Universität

Physiker der Universität Princeton haben eine abrupte Veränderung im quantenmechanischen Verhalten entdeckt, während sie mit einem dreiatomigen Isolator experimentierten, der leicht in einen Supraleiter umgeschaltet werden kann.

Die Forschung verspricht, unser Verständnis von Quantenphysik in Festkörpern im Allgemeinen zu verbessern und die Untersuchung von kondensierter Materie und Supraleitung in potenziell neue Richtungen zu lenken. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift "Nature Physics" in einem Artikel mit dem Titel "Unkonventionelle supraleitende Quantenkritikalität in Monolayer WTe2" veröffentlicht.

Die Forscher um Sanfeng Wu, Assistenzprofessor für Physik an der Princeton Universität, stellten fest, dass das plötzliche Ende (oder 'Tod') der quantenmechanischen Fluktuationen eine Reihe einzigartiger quantenmechanischer Verhaltensweisen und Eigenschaften aufweist, die anscheinend außerhalb des Bereichs etablierter Theorien liegen.

Fluktuationen sind vorübergehende zufällige Veränderungen im thermodynamischen Zustand eines Materials, das kurz vor einer Phasenübergang steht. Ein bekanntes Beispiel für einen Phasenübergang ist das Schmelzen von Eis zu Wasser. Das Princeton-Experiment untersuchte Fluktuationen, die in einem Supraleiter bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt auftreten.

"Was wir gefunden haben, indem wir uns die quantenmechanischen Fluktuationen in der Nähe des Übergangs direkt angesehen haben, waren klare Beweise für einen neuen quantenmechanischen Phasenübergang, der den bekannten theoretischen Beschreibungen in diesem Bereich nicht gehorcht", sagte Wu. "Sobald wir dieses Phänomen verstehen, glauben wir, dass eine reale Möglichkeit für eine aufregende neue Theorie besteht, die entstehen könnte."

In der physischen Welt treten Phasenübergänge auf, wenn sich ein Material wie eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Festkörper von einem Zustand oder einer Form in einen anderen ändert. Aber Phasenübergänge treten auch auf quantenmechanischer Ebene auf. Diese ereignen sich bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15° Celsius) und beinhalten die kontinuierliche Einstellung eines externen Parameters wie Druck oder magnetisches Feld, ohne die Temperatur zu erhöhen.

Forscher sind besonders daran interessiert, wie Quantenphasenübergänge in Supraleitern auftreten, Materialien, die Elektrizität ohne Widerstand leiten. Supraleiter können den Informationsprozess beschleunigen und bilden die Grundlage für leistungsstarke Magnete, die in der Gesundheitsversorgung und im Transportwesen eingesetzt werden.

"Wie eine supraleitende Phase in eine andere Phase übergehen kann, ist ein faszinierender Bereich der Erforschung", sagte Wu. "Und wir interessieren uns schon seit geraumer Zeit für dieses Problem in atomar dünnen, sauberen und einkristallinen Materialien."

Supraleitung tritt auf, wenn Elektronen sich paaren und widerstandslos und ohne Energieverlust fließen. Normalerweise bewegen sich Elektronen in Schaltkreisen und Drähten auf unvorhersehbare Weise, stoßen in einer Weise aufeinander, die letztendlich ineffizient ist und Energie verschwendet. Aber im supraleitenden Zustand handeln Elektronen gemeinsam auf eine energieeffiziente Weise.

Supraleitung ist seit 1911 bekannt, obwohl lange Zeit unklar war, wie und warum sie funktioniert, bis die Quantenmechanik 1956 Licht auf das Phänomen warf. Aber erst in den letzten zehn Jahren werden Supraleiter in sauberen, atomar dünnen zweidimensionalen Materialien untersucht. Tatsächlich wurde lange Zeit geglaubt, dass Supraleitung in einer zweidimensionalen Welt unmöglich sei.

"Das kam daher, dass Fluktuationen in niedrigeren Dimensionen so stark werden, dass sie jede Möglichkeit von Supraleitung 'töten'", sagte N. Phuan Ong, der Eugene Higgins Professor für Physik an der Princeton Universität und Mitverfasser des Artikels.

Der Hauptweg, auf dem Fluktuationen die zweidimensionale Supraleitung zerstören, besteht darin, dass ein spontanes Auftauchen von sogenannten Quantenvortexen (Mehrzahl: Vortices) stattfindet.

Jeder Vortex ähnelt einem winzigen Wirbel, der aus einem mikroskopischen Strang magnetischer Felder besteht, der in einem wirbelnden Elektronenstrom gefangen ist. Wenn die Probe über eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, treten Vortices spontan in Paaren auf: Vortices und Antivortices. Ihre schnelle Bewegung zerstört den supraleitenden Zustand.

"Ein Vortex ist wie ein Wirbel", sagte Ong. "Es sind quantenmechanische Versionen des Wirbels, den man sieht, wenn man das Wasser aus einer Badewanne abfließen lässt."

Physiker wissen mittlerweile, dass Supraleitung in ultradünnen Filmen unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur, die als BKT-Übergang bezeichnet wird, existiert. Benannt ist er nach den Physikern der kondensierten Materie Vadim Berezinskii, John Kosterlitz und David Thouless. Letztere beiden wurden 2016 gemeinsam mit dem Princeton-Physiker F. Duncan Haldane, dem Sherman Fairchild University Professor für Physik, mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Die BKT-Theorie gilt als erfolgreiche Beschreibung dafür, wie sich Quantenvortices in zweidimensionalen Supraleitern verbreiten und die Supraleitung zerstören. Die Theorie gilt, wenn der Übergang zur Supraleitung durch Erwärmen der Probe ausgelöst wird.

Die Frage, wie zweidimensionale Supraleitung ohne Temperaturerhöhung zerstört werden kann, ist ein aktiver Forschungsbereich in den Gebieten der Supraleitung und Phasenübergänge. Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt wird ein Quantenübergang durch Quantenfluktuationen ausgelöst. In diesem Szenario ist der Übergang von der temperaturgetriebenen BKT-Transition unterschiedlich.

Die Forscher begannen mit einem Massivkristall aus Wolframditellurid (WTe2), das als geschichteter Halbmetall eingestuft wird. Die Forscher begannen, das Wolframditellurid in ein zweidimensionales Material umzuwandeln, indem sie das Material zunehmend absplitterten oder schälten, bis es aus einer einzelnen atomdünnen Schicht bestand.

In dieser Dünnschicht verhält sich das Material wie ein sehr starker Isolator, was bedeutet, dass seine Elektronen eine eingeschränkte Bewegung haben und somit keinen elektrischen Strom leiten können. Erstaunlicherweise stellten die Forscher fest, dass das Material eine Vielzahl neuartiger quantenmechanischer Verhaltensweisen aufweist, wie zum Beispiel das Umschalten zwischen isolierenden und supraleitenden Phasen. Sie konnten dieses Schaltverhalten kontrollieren, indem sie eine Vorrichtung bauten, die wie ein "Ein- und Ausschalter" funktioniert.

Doch dies war erst der Anfang. Die Forscher unterwarfen das Material dann zwei wichtigen Bedingungen. Zunächst kühlten sie das Wolframditellurid auf außerordentlich niedrige Temperaturen von etwa 50 MilliKelvin (mK) ab.

Fünfzig MilliKelvin entsprechen -273.10° Celsius (oder -459.58° Fahrenheit), einer unglaublich niedrigen Temperatur, bei der quantenmechanische Effekte dominant sind.

Dann wandelten die Forscher das Material von einem Isolator in einen Supraleiter um, indem sie einige zusätzliche Elektronen dem Material hinzufügten. Es benötigte nicht viel Spannung, um den supraleitenden Zustand zu erreichen. "Schon eine winzige Menge an Gatterspannung kann das Material von einem Isolator in einen Supraleiter verwandeln", sagte Tiancheng Song, ein Postdoktorand in Physik und der Hauptautor der Studie. "Das ist wirklich ein bemerkenswerter Effekt."

Die Forscher stellten fest, dass sie die Eigenschaften der Supraleitung präzise kontrollieren konnten, indem sie die Elektronendichte im Material über die Gatterspannung anpassten. Bei einer kritischen Elektronendichte breiten sich die Quantenvortices schnell aus und zerstören die Supraleitung, was zum Auftreten des quantenmechanischen Phasenübergangs führt.

Um die Anwesenheit dieser Quantenvortices nachzuweisen, erzeugten die Forscher ein winziges Temperaturgefälle auf der Probe, wodurch eine Seite des Wolframditellurids etwas wärmer als die andere wurde. "Vortices suchen den kühleren Rand", sagte Ong. "Im Temperaturgefälle driftet jeder Vortex in der Probe zum kühleren Teil, sodass Sie einen Strom von Vortices haben, der vom wärmeren zum kühleren Teil fließt."

Die Bewegung der Vortices erzeugt ein nachweisbares Spannungssignal in einem Supraleiter. Dies ist auf einen Effekt zurückzuführen, der nach dem Nobelpreisträger Physiker Brian Josephson benannt ist. Seine Theorie besagt, dass immer dann, wenn ein Strom von Vortices eine Linie zwischen zwei elektrischen Kontakten kreuzt, sie eine schwache transversale Spannung erzeugen, die von einem Nano-Voltmeter erfasst werden kann.

"Wir können überprüfen, dass es sich um den Josephson-Effekt handelt. Wenn Sie das Magnetfeld umkehren, kehrt sich die gemessene Spannung um", sagte Ong.

"Dies ist ein sehr spezifisches Merkmal eines Wirbelsstroms", fügte Wu hinzu. "Die direkte Detektion dieser sich bewegenden Vortices gibt uns ein experimentelles Werkzeug, um Quantenfluktuationen in der Probe zu messen, was sonst schwer zu erreichen wäre."

Als die Autoren in der Lage waren, diese quantenmechanischen Fluktuationen zu messen, entdeckten sie eine Reihe von unerwarteten Phänomenen. Die erste Überraschung war die bemerkenswerte Robustheit der Vortices. Das Experiment zeigte, dass diese Vortices bis zu viel höheren Temperaturen und magnetischen Feldern bestehen bleiben als erwartet. Sie überleben bei Temperaturen und Feldern weit über der supraleitenden Phase, in der widerstandsfähigen Phase des Materials.

Eine zweite große Überraschung war, dass das Vortex-Signal abrupt verschwand, wenn die Elektronendichte knapp unter dem kritischen Wert eingestellt wurde, bei dem der quantenmechanische Phasenübergang des supraleitenden Zustands auftritt. Bei diesem kritischen Wert der Elektronendichte, den die Forscher den quantenmechanischen kritischen Punkt (QCP) nennen, der einen Punkt bei null Grad in einem Phasendiagramm repräsentiert, treiben Quantenfluktuationen den Phasenübergang voran.

"Wir erwarteten, dass unterhalb der kritischen Elektronendichte auf der nicht-supraleitenden Seite starke Fluktuationen auftreten, ähnlich den starken Fluktuationen, die weit über der BKT-Übergangstemperatur gesehen werden", sagte Wu.

'Yet, what we found was that the vortex signals 'suddenly' vanish the moment the critical electron density is crossed. And this was a shock. We can't explain at all this observation—the 'sudden death' of the fluctuations.'

Ong added, 'In other words, we've discovered a new type of quantum critical point, but we don't understand it.'

In the field of condensed matter physics, there are currently two established theories that explain phase transitions of a superconductor, the Ginzburg-Landau theory and the BKT theory. However, the researchers found that neither of these theories explain the observed phenomena.

'We need a new theory to describe what is going on in this case,' said Wu, 'and that's something we hope to address in future works, both theoretically and experimentally.'

Journal information: Nature Physics

Provided by Princeton University