Un grupo de investigación del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech) ha detectado con éxito débiles fluctuaciones en la superconductividad, un fenómeno precursor de la superconductividad. Este avance se logró midiendo el efecto termoeléctrico en superconductores en una amplia gama de campos magnéticos y en una amplia gama de temperaturas, desde mucho más altas que la temperatura de transición superconductora hasta temperaturas muy bajas cercanas al cero absoluto. Los resultados de este estudio se publicaron en línea en Nature Communications. el 16 de marzo de 2024.
Esto reveló el panorama completo de las fluctuaciones de la superconductividad con respecto a la temperatura y el campo magnético, y demostró que el origen del estado metálico anómalo en los campos magnéticos, que ha sido un problema sin resolver en el campo de la superconductividad bidimensional durante 30 años, es la existencia de un punto crítico cuántico, donde las fluctuaciones cuánticas son más fuertes.
Un superconductor es un material en el que los electrones se emparejan a bajas temperaturas, lo que da como resultado una resistencia eléctrica nula. Se utiliza como material para electroimanes potentes en resonancias magnéticas médicas y otras aplicaciones.
También se consideran cruciales como pequeños elementos lógicos en computadoras cuánticas que operan a temperaturas criogénicas, y existe la necesidad de dilucidar las propiedades de los superconductores a temperaturas criogénicas cuando se microminiaturizan.
Los superconductores bidimensionales atómicamente delgados se ven fuertemente afectados por las fluctuaciones y, por lo tanto, exhiben propiedades que difieren significativamente de las de los superconductores más gruesos.
Hay dos tipos de fluctuaciones:térmicas (clásicas), que son más pronunciadas a altas temperaturas, y cuánticas, que son más importantes a temperaturas muy bajas. Esto último provoca una variedad de fenómenos interesantes. Por ejemplo, cuando se aplica un campo magnético perpendicularmente a un superconductor bidimensional en el cero absoluto y se aumenta, se produce una transición de una superconductividad de resistencia cero a un aislante con electrones localizados.
Este fenómeno se denomina transición superconductor-aislante inducida por un campo magnético y es un ejemplo típico de transición de fase cuántica causada por fluctuaciones cuánticas. Sin embargo, desde la década de 1990 se sabe que para muestras con efectos de localización relativamente débiles, aparece un estado metálico anómalo en la región del campo magnético intermedio donde la resistencia eléctrica es varios órdenes de magnitud menor que el estado normal.
Se cree que el origen de este estado metálico anómalo es un estado líquido en el que las líneas de flujo magnético que penetran en el superconductor se mueven debido a fluctuaciones cuánticas.
Sin embargo, esta predicción no ha sido corroborada porque la mayoría de los experimentos anteriores con superconductores bidimensionales han utilizado mediciones de resistividad eléctrica que examinan la respuesta del voltaje a la corriente, lo que dificulta distinguir entre señales de voltaje que se originan en el movimiento de líneas de flujo magnético y aquellas que se originan en la dispersión de electrones conductores normales.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor asistente Koichiro Ienaga y el profesor Satoshi Okuma del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de Tokyo Tech informa en Physical Review Letters en 2020, se demostró que el movimiento cuántico de las líneas de flujo magnético se produce en un estado metálico anómalo mediante el uso del efecto termoeléctrico, en el que se genera voltaje con respecto al flujo de calor (gradiente de temperatura) en lugar de corriente.
Para aclarar aún más el origen del estado metálico anómalo, es necesario dilucidar el mecanismo por el cual el estado superconductor es destruido por la fluctuación cuántica y las transiciones al estado normal (aislante).
En este estudio, realizaron mediciones destinadas a detectar el estado de fluctuación superconductora, que es un estado precursor de la superconductividad y se cree que existe en el estado normal.
Resultados de la investigación
En este estudio, un molibdeno-germanio (Mox Ge1-x ) se fabricaron y utilizaron películas delgadas con estructura amorfa, conocidas como superconductores bidimensionales con estructura y desorden uniformes. Tiene 10 nanómetros de espesor (un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro) y promete tener los efectos de fluctuación característicos de los sistemas bidimensionales.
Dado que las señales de fluctuación no pueden detectarse mediante mediciones de resistividad eléctrica porque están enterradas en la señal de dispersión de electrones de conducción normal, los investigadores realizaron mediciones del efecto termoeléctrico, que pueden detectar dos tipos de fluctuaciones:1) fluctuaciones superconductoras (fluctuaciones en la amplitud de la superconductividad ) y 2) movimiento de la línea de flujo magnético (fluctuaciones en la fase de superconductividad).
Cuando se aplica una diferencia de temperatura en la dirección longitudinal de la muestra, las fluctuaciones superconductoras y el movimiento de las líneas de flujo magnético generan un voltaje en la dirección transversal.
Por el contrario, el movimiento normal de los electrones genera voltaje principalmente en la dirección longitudinal. En muestras como materiales amorfos, donde los electrones no se mueven fácilmente, el voltaje generado por los electrones en la dirección transversal es insignificante, por lo que la contribución de la fluctuación por sí sola puede detectarse selectivamente midiendo el voltaje transversal.
El efecto termoeléctrico se midió en una variedad de campos magnéticos y en una variedad de temperaturas que van desde mucho más alta que la temperatura de transición superconductora de 2,4 K (Kelvin) hasta una temperatura muy baja de 0,1 K (1/3000 de 300 K, la temperatura ambiente temperatura), que está cerca del cero absoluto. Esto revela que las fluctuaciones superconductoras sobreviven no sólo en la región líquida del flujo magnético, donde las fluctuaciones de la fase superconductora son más pronunciadas, sino también en una amplia región de campo magnético de temperatura más afuera que se considera la región de estado normal, donde la superconductividad está destruido.
En particular, se detectó con éxito por primera vez la línea de cruce entre las fluctuaciones térmicas (clásicas) y las cuánticas. El valor del campo magnético cuando la línea de cruce alcanza el cero absoluto probablemente corresponde al punto crítico cuántico donde las fluctuaciones cuánticas son más fuertes, y ese punto está claramente ubicado dentro del rango del campo magnético donde se observó un estado metálico anómalo en la resistencia eléctrica. /P>
Hasta ahora no era posible detectar la existencia de este punto crítico cuántico a partir de mediciones de resistividad eléctrica. Este resultado revela que el estado metálico anómalo en un campo magnético en el cero absoluto en superconductores bidimensionales, que permanece sin resolver desde hace 30 años, se origina en la existencia del punto crítico cuántico. En otras palabras, el estado metálico anómalo es un estado fundamental cuántico crítico ampliado para la transición superconductor-aislante.
Las mediciones del efecto termoeléctrico obtenidas para superconductores convencionales amorfos pueden considerarse datos estándar para el efecto termoeléctrico en superconductores, ya que capturan puramente el efecto de las fluctuaciones en la superconductividad sin la contribución de electrones en estado normal.
El efecto termoeléctrico es importante en términos de su aplicación a sistemas de refrigeración eléctricos, etc., y existe la necesidad de desarrollar materiales que presenten un gran efecto termoeléctrico a bajas temperaturas para ampliar el límite de las temperaturas de refrigeración. Se han informado efectos termoeléctricos anormalmente grandes a bajas temperaturas en ciertos superconductores, y la comparación con los datos actuales puede proporcionar una pista sobre su origen.
Investigaciones futuras podrían demostrar la predicción teórica de que en superconductores bidimensionales con efectos de localización más fuertes que la muestra actual, las líneas de flujo magnético estarán en un estado condensado cuántico. En el futuro, los investigadores planean implementar experimentos utilizando los métodos de este estudio con el objetivo de detectarlos.
Más información: Koichiro Ienaga et al, Estado fundamental cuántico crítico ampliado en una película delgada superconductora desordenada, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46628-7
Información de la revista: Cartas de revisión física , Comunicaciones de la naturaleza
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Tokio
