Рядък квантов фазов преход от първи порядък, забелязан във фолио от индиев оксид

Учени наблюдаваха рядък и странен квантов фазов преход в свръхпроводник. Това може да е ключът към създаването на по-добри квантови материали.

Ново проучване разкрива, че силно неорганизираните свръхпроводници от индиев оксид претърпяват квантов фазов преход от първи порядък – внезапно преминаване от свръхпроводимо към изолационно състояние.

Това откритие е доста невероятно, тъй като подобни внезапни промени не се наблюдават при свръхпроводниците. Обикновено при тях се извършват преходи от втори порядък, които са бавни и постепенни.

Наблюдаваните в това изследване редки и резки фазови преходи биха могли да послужат за насока при проектирането на материали за повишаване стабилността и ефективността на квантовите системи.

„Ние демонстрирахме отклонение от общата парадигма, при която прекъснатият квантов фазов преход от първи ред се появява от безпорядъка“, отбелязват авторите на изследването.

Фазовите преходи са промени в състоянието на даден материал, като например от твърдо в течно или от свръхпроводящо в изолаторно. Подобни промени настъпват, когато определени условия, като температура или налягане, преминат определена критична точка.

Има обаче още едно свойство, което влияе на фазовия преход, наречено свръхфлуидна твърдост. Тя е мярка за това колко устойчиво е свръхпроводимото състояние на даден материал на фазовите промени, като играе ключова роля в разбирането на това как свръхпроводимостта се разрушава по време на фазовите преходи.

Обикновено, когато свръхпроводниците претърпяват фазов преход, свръхфлуидната твърдост намалява непрекъснато и плавно. Изследователите обаче са забелязали нещо необичайно, когато са изследвали аморфни фолиа от индиев оксид.

Индиевият оксид има няколко структурни, химични и атомни нарушения. За да разберат как тези несъответствия могат да бъдат прецизно регулирани, те са измерили как се държи материалът, когато става по-неподреден.

За тази цел те са използвали микровълнова спектроскопия – техника, която използва микровълни за изследване на вътрешните свойства и поведението на даден материал. Спектроскопията им е помогнала точно да измерят свръхфлуидната твърдост на индиевия оксид.

Изненадващо, вместо постепенна промяна, те са наблюдавали неочаквано рязък спад в свръхфлуидната твърдост на слоевете от индиев оксид.

Един материал се държи като свръхпроводник, когато една двойка електрони, наречена двойка на Купър, се движи заедно по координиран начин. По време на проучването си изследователите откриват, че когато в материала се внесе безпорядък, той кара двойките на Купър да се държат извънредно.

Обикновено Куперовите двойки помагат на материала да провежда електричество без съпротивление (свръхпроводимост), но при достатъчно голям безпорядък Куперовите двойки започват да се конкурират помежду си. Това води до конфликт между състоянието на свръхпроводимост и другото състояние, наречено изолационно стъкло с Куперови двойки.

Авторите на изследването също така забелязват, че температурата, при която фолиото губи свръхпроводимостта си (критичната температура), вече не се определя от това колко силно се сдвояват електроните, а от самата свръхфлуидна твърдост.

Това означава, че материалът е навлязъл в режим на псевдопропускливост – специално състояние, при което електронните двойки се образуват, но не се държат по координиран начин, за да поддържат свръхпроводимостта.

„Показахме, че критичната температура на фолиото вече не се свързва с амплитудата на сдвояване, а се изравнява със свръхфлуидната твърдост, което съответства на псевдокапановия режим на предварително формираните Куперови двойки“, казват авторите на изследването