量子涨落的“突然死亡”违背了目前的超导理论

单层WTe的涡能效应与电子相图 2。来源: 自然物理(2024)。DOI: 10.1038 / s41567 - 023 - 02291 - 1

普林斯顿大学的物理学家们在对一个三原子薄的绝缘体进行实验时，发现了量子行为的突然变化，这种绝缘体可以很容易地转换成超导体。

这项研究有望提高我们对固体中量子物理的理解，并推动量子凝聚态物理和超导的研究向潜在的新方向发展。该研究结果发表在《自然物理》杂志上，题为《单层WTe2中的非常规超导量子临界性》。

由普林斯顿大学物理学助理教授吴三峰领导的研究人员发现，量子力学波动的突然停止(或“死亡”)表现出一系列独特的量子行为和特性，这些行为和特性似乎超出了现有理论的范围。

波动是处于相变边缘的材料热力学状态的临时随机变化。相变的一个熟悉的例子是冰融化成水。普林斯顿大学的实验研究了超导体在接近绝对零度的温度下发生的波动。

“我们通过直接观察相变附近的量子涨落，发现了一个新的量子相变的明确证据，它不符合该领域已知的标准理论描述，”吴说。“一旦我们理解了这一现象，我们认为很有可能会出现一个令人兴奋的新理论。”

量子相和超导性

在物理世界中，当液体、气体或固体等物质从一种状态或形式转变为另一种状态或形式时，就会发生相变。但是相变也发生在量子水平上。这些发生在接近绝对零度(-273.15摄氏度)的温度下，并且涉及一些外部参数的连续调谐，例如压力或磁场，而不提高温度。

研究人员对量子相变如何在超导体中发生特别感兴趣，超导体是一种无电阻导电的材料。超导体可以加速信息的处理，并构成用于医疗保健和交通运输的强力磁铁的基础。

“如何将超导相转变为另一个相是一个有趣的研究领域，”吴说。“我们对原子薄、清洁和单晶材料的这个问题感兴趣已经有一段时间了。”

当电子成对并在没有阻力和不耗散能量的情况下一致流动时，超导现象就发生了。通常情况下，电子在电路和电线中以一种不稳定的方式传播，以一种最终效率低下且浪费能量的方式相互碰撞。但在超导状态下，电子以一种节能的方式协同运动。

自1911年以来，人们就已经知道了超导性，尽管直到1956年量子力学开始揭示这一现象之前，超导性是如何以及为什么起作用的在很大程度上仍然是一个谜。但直到最近十年左右，人们才开始在干净的、原子薄的二维材料中研究超导性。的确，很长一段时间以来，人们都认为在二维世界中不可能存在超导性。

“这是因为，当你进入较低的维度时，波动变得如此强烈，以至于它们‘扼杀’了超导的任何可能性，”普林斯顿大学尤金·希金斯(Eugene Higgins)物理学教授、该论文的作者之一n·Phuan Ong说。

涨落破坏二维超导性的主要方式是通过所谓的量子涡旋(复数:vortices)的自发出现。

每个漩涡都像一个微小的漩涡，由被困在旋转电子电流中的微小磁场链组成。当样品升高到一定温度以上时，旋涡自发成对出现:旋涡和反旋涡。它们的快速运动破坏了超导状态。

“漩涡就像漩涡，”王说。“它们是你放浴缸水时看到的涡流的量子版本。”

物理学家现在知道，超薄膜中的超导性确实存在于一定的临界温度以下，即BKT跃迁，以凝聚态物理学家Vadim Berezinskii, John Kosterlitz和David Thouless命名。后两者与谢尔曼仙童大学物理学教授、普林斯顿物理学家f·邓肯·霍尔丹共同获得了2016年的诺贝尔物理学奖。

BKT理论被广泛认为是对量子涡旋如何在二维超导体中扩散和破坏超导性的成功描述。该理论适用于加热试样引起超导转变的情况。

当前的实验

如何在不提高温度的情况下破坏二维超导性是超导和相变领域的一个活跃研究领域。在接近绝对零度的温度下，量子跃迁是由量子波动引起的。在这种情况下，这种转变不同于温度驱动的BKT转变。

研究人员从二碲化钨(WTe2)的大块晶体开始，它被归类为层状半金属。研究人员首先将二碲化钨转化为二维材料，方法是不断剥离，或将材料剥离成单个原子薄层。

在这种薄度下，这种材料表现为非常强的绝缘体，这意味着它的电子运动有限，因此不能导电。令人惊讶的是，研究人员发现这种材料表现出许多新的量子行为，比如在绝缘相和超导相之间切换。他们能够通过制造一个功能类似于“开与关”开关的设备来控制这种开关行为。

但这仅仅是第一步。接下来，研究人员将这种材料置于两个重要的条件下。他们做的第一件事是将二碲化钨冷却到极低的温度，大约50毫开尔文(mK)。

50毫开尔文是-273.10摄氏度(或-459.58华氏度)，这是一个令人难以置信的低温，量子力学效应在其中占主导地位。

然后，研究人员通过向材料中引入一些额外的电子，将材料从绝缘体转变为超导体。不需要太多电压就能达到超导状态。该论文的第一作者、物理学博士后研究员宋天成(音译)说:“只要极少量的栅极电压就能将这种材料从绝缘体变成超导体。”“这确实是一个了不起的效果。”

研究人员发现，他们可以通过栅极电压来调节材料中的电子密度，从而精确地控制超导性。当电子密度达到临界时，量子涡旋迅速扩散并破坏超导性，促使量子相变发生。

为了检测这些量子漩涡的存在，研究人员在样品上创造了一个微小的温度梯度，使二碲化钨的一侧比另一侧略热。“涡旋寻找较冷的边缘，”翁说。“在温度梯度中，样品中的所有漩涡都漂移到较冷的部分，所以你创造的是一条漩涡河，从较热的部分流向较冷的部分。”

涡流的流动在超导体中产生可检测的电压信号。这是由于一种以诺贝尔奖得主、物理学家布莱恩·约瑟夫森(Brian Josephson)命名的效应，他的理论预测，每当一股涡流穿过两个电触点之间的线时，它们就会产生微弱的横向电压，这种电压可以通过纳米伏特计检测到。

“我们可以证实这是约瑟夫森效应;如果你反转磁场，检测到的电压就会反转。”

“这是涡流的一个非常特殊的特征，”吴补充说。“对这些移动漩涡的直接检测为我们提供了一种测量样品中量子波动的实验工具，否则很难实现。”

惊人的量子现象

一旦作者能够测量这些量子涨落，他们就发现了一系列意想不到的现象。第一个惊喜是涡旋的显著坚固性。实验表明，这些涡旋的温度和磁场比预期的要高得多。它们能在温度和电场中存活，远高于超导阶段，在材料的电阻阶段。

第二个主要的意外是，当电子密度被调到刚好低于超导态量子相变发生的临界值时，旋涡信号突然消失了。在这个电子密度的临界值，研究人员称之为量子临界点(QCP)，它代表了相图中温度为零的点，量子涨落驱动相变。

Wu说:“我们预计在非超导侧的临界电子密度以下会看到强烈的波动，就像在BKT转变温度以上看到的强烈波动一样。”

“然而，我们发现旋涡信号在临界电子密度越过的那一刻突然消失了。这让我很震惊。我们根本无法解释这种观察——波动的‘突然死亡’。”

Ong补充说:“换句话说，我们发现了一种新型的量子临界点，但我们并不理解它。”

在凝聚态物理领域，目前有两种理论可以解释超导体的相变，即金兹堡-朗道理论和BKT理论。然而，研究人员发现，这两种理论都不能解释观察到的现象。

“我们需要一种新的理论来描述这种情况，”吴说，“这是我们希望在未来的工作中解决的问题，无论是理论上还是实验上。”