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  • 二维超导体的特殊基态相,超导材料的奇特多态跃迁

    足够强的磁场应用会导致材料中超导态的破坏,即使是在极低温度下,也会使它们直接转变成绝缘体——至少传统上是这样认为的。现在,东京理工学院(东京理工大学)、东京大学和东北大学科学家们报告了这些超导体的奇特多态跃迁,在这种跃迁中,超导体从超导体转变为特殊金属,然后转变为绝缘体。超导体以其零电阻或完全排斥外部磁场的能力为特征,在基础物理和磁体超导线圈等应用领域都具有诱人的前景。

    二维超导体的特殊基态相,超导材料的奇特多态跃迁

    这一现象是通过考虑系统中电子之间的高度有序关系来理解。由于整个系统的相干性,电子形成有界对,并且作为一个整体流动而没有碰撞,从而形成一个没有能量耗散的完美导电状态。然而,一旦引入磁场,电子就不能维持它们之间的相干关系,超导性就会丧失。对于给定的温度,使材料保持超导状态的最高磁场称为临界磁场。这些临界点通常用相变来表示,如果这种变化是突然的,就像冰的融化一样,这是一级转变。

    二维超导体的特殊基态相,超导材料的奇特多态跃迁

    如果这种转变是通过扩展到整个系统由变化驱动的波动增长以渐进和连续的方式发生,则称为二阶转变。研究超导体在临界场作用下的过渡路径,可以对量子过程有更深入的了解,并使我们能够设计更智能的超导体(SCs),应用于先进技术。有趣的是,二维超导体(2-D SCs)是研究这类相变的理想候选材料,其中一个新候选材料是NbSe2的单元层。由于超导体的尺寸(厚度)越小,电子形成超导体对的可能伙伴就越少,因此最小的扰动就可以设置相变。

    二维超导体的特殊基态相,超导材料的奇特多态跃迁

    此外,从小型电子产品的应用角度来看,二维SC是相关的。在这种材料中,将外加磁场提高到临界值以上会导致一种模糊状态,即磁场穿透材料,但电阻仍然很小。只有进一步增加磁场,超导性才会被破坏,材料才会变成普通的绝缘体,这叫做超导到绝缘体的相变。因为这种现象是在非常低的温度下观察到,所以系统中的量子涨落变得与经典热涨落相当,甚至更大。因此,这被称为量子相变。

    二维超导体的特殊基态相,超导材料的奇特多态跃迁

    为了了解NbSe2超薄超导体的相变路径,以及临界电场强度之间存在的模糊或混合状态,一组研究人员测量了材料的磁电阻,或SC在外磁场作用下的电阻率响应,使用四点探针,研究人员估计了单层NbSe2中各自量子相位边界处的临界磁场。当一个小磁场作用于SC时,电子相干流动被打破,但电子对仍然存在。这是由于涡旋的运动,运动的旋涡产生有限阻力。

    二维超导体的特殊基态相,超导材料的奇特多态跃迁

    这种最小电阻的来源被解释为材料进入一种特殊的Bose金属(BM)状态,这种金属在进一步增加磁场后变成绝缘状态。研究小组还发现,临界温度附近的正常状态和SC状态之间的转变是由量子涨落驱动,也反映了类似的多转变途径。基于玻色金属模型的尺度分析解释了两步跃迁,表明存在玻色子基态。本研究以原子尺度厚度最小的样品,支持了超导体中多相跃迁的理论主张,并进一步推进了研究的边界。

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