А вы знали, что мир сверхпроводников, казалось бы, подчиняющийся строгим законам, иногда преподносит сюрпризы? Недавнее исследование, проведенное командой физиков из Франции и Германии, пролило свет на весьма необычное поведение оксида индия при переходе между сверхпроводящим и изолирующим состояниями. И это открытие заставляет нас взглянуть на привычные процессы под новым углом.
Фазовые переходы: танцы материи
Прежде чем углубиться в детали, давайте вспомним, что такое фазовый переход. Представьте себе воду: при нагревании она из твердого льда превращается в жидкое состояние, а затем и в пар. Это — классические примеры фазовых переходов. Но в квантовом мире эти превращения могут происходить совершенно иначе, и уж точно — куда более загадочно.
Сверхпроводники — это особые материалы, способные проводить электрический ток без какого-либо сопротивления при очень низких температурах. И вот, когда такой материал переходит из сверхпроводящего состояния в обычное изолирующее, в большинстве случаев всё происходит плавно и предсказуемо. Но, как оказалось, не всегда.
Оксид индия: бунтарь среди сверхпроводников
Исследователи обратили внимание на оксид индия. Это не простой материал; у него есть свои «особенности» — нарушения в структуре на разных уровнях. Именно эти нарушения и делают его таким уникальным. Используя микроволновую спектроскопию, ученые пристально наблюдали за поведением этого материала при изменении температуры.
Ожидалось, что при повышении температуры, когда оксид индия начинает терять свои сверхпроводящие свойства, его так называемая сверхтекучая жесткость (показатель того, насколько материал сопротивляется изменению своего состояния) будет снижаться плавно. Как если бы музыка постепенно затихала. Но в реальности произошло кое-что совсем иное — словно резко выключили звук. Сверхтекучая жесткость обрушилась, причем скачкообразно. Это было неожиданно, и именно это открытие привлекло особое внимание.
Фазовый сверхпроводящий переход. Экспериментальная фазовая диаграмма, представляющая критическую температуру Tc, одночастичный туннельный зазор ∆ (из [10, 12, 27 здесь и далее см. ориг. исследование]) и низкотемпературную сверхтекучую жесткость Θ как функцию сопротивления листа. Данные по туннелированию были получены на практически идентичных пленках [10, 12, 27], что позволяет провести последовательное сравнение с современными микроволновыми образцами. При увеличении беспорядка, то есть сопротивления, сверхпроводник переходит из режима BCS с Θ > ∆ и Tc ∝ ∆ в режим фазовых флуктуаций, характеризующийся Θ < ∆ и Tc ≈ Θ. В последнем случае сверхпроводящий переход обусловлен установлением фазовой жесткости предварительно сформированных куперовских пар, возникающих в виде псевдозазора в плотности состояний одной частицы. Синие, зеленые и красные пунктирные линии — ориентиры для глаз. Вставка: туннельная проводимость, измеренная на пленке a: InO (Tc = 1,7 K), как функция напряжения смещения на туннельном переходе и температуры. Черной пунктирной линией отмечен спектр туннелирования при T = Tc. Псевдозазор выше Tc простирается до ∆ ≃ 6 K в отличном согласии с фазовой диаграммой. Пунктирные линии ниже (синий) и выше Tc (красный) на вставке также представлены на рисунке при соответствующем беспорядке. Рисунок воспроизведен из работы [10]. [10]. Цитирование: Charpentier, T., Perconte, D., Léger, S. et al. arXiv:2404.09855 [cond-mat.mes-hall] DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.09855
Автор: Charpentier, T., Perconte, D., Léger, S. et al.Источник: arxiv.org
Куперовские пары: не всё так просто
А что же куперовские пары, те самые пары электронов, которые «танцуют» вместе в сверхпроводниках? Традиционно считается, что именно от их движения и зависит критическая температура, при которой материал теряет свою сверхпроводимость. Но в случае с оксидом индия всё оказалось иначе: критическую температуру определяла не сила связей этих пар, а именно сверхтекучая жесткость. Как будто оркестр играет по нотам, но дирижёр вдруг становится абсолютно неважен.
Квантовый распад сверхпроводимости первого порядка a. Эволюция низкотемпературной сверхтекучей жесткости Θ и критической температуры Tc с сопротивлением листа в полулогарифмическом масштабе. При критическом расстройстве, обозначенном вертикальной черной пунктирной линией, и Θ, и Tc остаются конечными, насыщаясь при температуре около 0,5 К, не демонстрируя подавления по закону мощности, ожидаемого для квантовой критичности в непрерывных квантовых фазовых переходах. Такое резкое, скачкообразное подавление сверхтекучей плотности при критическом расстройстве указывает на квантовый фазовый переход первого порядка. b. Фазовая диаграмма, описывающая конкуренцию между сверхпроводящей фазой и фазой кулоновского стекла с локализованными куперовскими парами (теоретическое обоснование см. в разделе «Методы»). Сверхпроводящий переход характеризуется среднеполевой критической температурой Tc0, подавляемой эффектами беспорядка и взаимодействия [8], и температурой перехода Березинского-Костерлица-Тулеса T BKT c [35, 36], знаменующей наступление квазидлинноволнового порядка. Одночастичный зазор ∆ немонотонно изменяется по всему переходу, что наблюдается экспериментально (см. рис. 2) и ожидается теоретически [29- 32]. Tg — температура стеклования, пропорциональная шкале кулоновской энергии Ec (см. уравнение (2)), которая изменяется с ростом беспорядка согласно EC ≈ 0,02 δloc [40], где δloc обозначает среднее расстояние между уровнями в объеме локализации. Rc обозначает критический уровень беспорядка, разделяющий сверхпроводник и стекло Купера, а RT — сопротивление в трикритической точке, где пересекаются три линии перехода. Поведение изолятора с повторным центром возникает здесь из-за наличия существенной области температур, где тепловые сверхпроводящие флуктуации [41] могут уменьшить сопротивление и имитировать сверхпроводящий переход, только для того, чтобы прервать его в результате возникновения изолятора в виде стекла Купера. Цитирование: Charpentier, T., Perconte, D., Léger, S. et al. arXiv:2404.09855 [cond-mat.mes-hall] DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.09855
Автор: Charpentier, T., Perconte, D., Léger, S. et al.Источник: arxiv.org
Загадка, требующая решения
В чем же дело? Почему оксид индия ведет себя так непредсказуемо? Точного ответа пока нет. Но это открытие бросает вызов существующим представлениям о квантовых фазовых переходах. Оно говорит о том, что в мире сверхпроводников еще много неизведанного, и что, возможно, именно в подобных необычных материалах и кроются ключи к созданию более стабильных и надежных квантовых устройств.
Честно говоря, такие открытия заставляют задуматься о фундаментальных свойствах материи и о том, как мы много еще не понимаем. По сути, это — своеобразный квантовый бунт, который открывает нам двери в новые области исследований и, возможно, в будущее квантовых технологий. И кто знает, какие еще сюрпризы нам приготовила квантовая реальность?
