足夠強的磁場應用會導致材料中超導態的破壞，即使是在極低溫度下，也會使它們直接轉變成絕緣體——至少傳統上是這樣認為的。現在，東京理工學院(東京理工大學)、東京大學和東北大學科學家們報告了這些超導體的奇特多態躍遷，在這種躍遷中，超導體從超導體轉變為特殊金屬，然后轉變為絕緣體。超導體以其零電阻或完全排斥外部磁場的能力為特征，在基礎物理和磁體超導線圈等應用領域都具有誘人的前景。
這一現象是通過考慮系統中電子之間的高度有序關系來理解。由于整個系統的相干性，電子形成有界對，并且作為一個整體流動而沒有碰撞，從而形成一個沒有能量耗散的完美導電狀態。然而，一旦引入磁場，電子就不能維持它們之間的相干關系，超導性就會喪失。對于給定的溫度，使材料保持超導狀態的最高磁場稱為臨界磁場。這些臨界點通常用相變來表示，如果這種變化是突然的，就像冰的融化一樣，這是一級轉變。
如果這種轉變是通過擴展到整個系統由變化驅動的波動增長以漸進和連續的方式發生，則稱為二階轉變。研究超導體在臨界場作用下的過渡路徑，可以對量子過程有更深入的了解，并使我們能夠設計更智能的超導體(SCs)，應用于先進技術。有趣的是，二維超導體(2-D SCs)是研究這類相變的理想候選材料，其中一個新候選材料是NbSe2的單元層。由于超導體的尺寸(厚度)越小，電子形成超導體對的可能伙伴就越少，因此最小的擾動就可以設置相變。
此外，從小型電子產品的應用角度來看，二維SC是相關的。在這種材料中，將外加磁場提高到臨界值以上會導致一種模糊狀態，即磁場穿透材料，但電阻仍然很小。只有進一步增加磁場，超導性才會被破壞，材料才會變成普通的絕緣體，這叫做超導到絕緣體的相變。因為這種現象是在非常低的溫度下觀察到，所以系統中的量子漲落變得與經典熱漲落相當，甚至更大。因此，這被稱為量子相變。
為了了解NbSe2超薄超導體的相變路徑，以及臨界電場強度之間存在的模糊或混合狀態，一組研究人員測量了材料的磁電阻，或SC在外磁場作用下的電阻率響應，使用四點探針，研究人員估計了單層NbSe2中各自量子相位邊界處的臨界磁場。當一個小磁場作用于SC時，電子相干流動被打破，但電子對仍然存在。這是由于渦旋的運動，運動的旋渦產生有限阻力。
這種最小電阻的來源被解釋為材料進入一種特殊的Bose金屬(BM)狀態，這種金屬在進一步增加磁場后變成絕緣狀態。研究小組還發現，臨界溫度附近的正常狀態和SC狀態之間的轉變是由量子漲落驅動，也反映了類似的多轉變途徑。基于玻色金屬模型的尺度分析解釋了兩步躍遷，表明存在玻色子基態。本研究以原子尺度厚度最小的樣品，支持了超導體中多相躍遷的理論主張，并進一步推進了研究的邊界。
博科園｜研究/來自：東京工業大學
參考期刊《物理評論B》
DOI: 10.1103/PhysRevB.99.220501
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