مشاهده‌ی نادر انتقال فاز کوانتومی مرتبه اول در فیلم‌های اکسید ایندیوم

مطالعه‌ای جدید نشان می‌دهد که ابررساناهای بسیار نامرتب اکسید ایندیوم تحت یک انتقال فاز کوانتومی مرتبه اول قرار می‌گیرند - تغییری ناگهانی از حالت ابررسانا به حالت عایق.

این کشف واقعاً شگفت‌انگیز است زیرا چنین تغییرات ناگهانی در ابررساناها مشاهده نمی‌شود و عموماً انتقال‌های مرتبه دوم که به صورت آرام و تدریجی هستند، تجربه می‌شوند.

انتقال فازهای نادر و ناگهانی مشاهده‌شده در این مطالعه می‌تواند طراحی مواد را برای بهبود پایداری و کارایی سیستم‌های کوانتومی راهنمایی کند.

نویسندگان مطالعه اظهار داشتند: «ما از پارادایم عمومی فاصله می‌گیریم که در آن یک انتقال فاز کوانتومی ناپیوسته مرتبه اول با اختلال تنظیم می‌شود.»

کاهش غیرمنتظره در سختی ابرشاره

انتقال‌های فاز تغییراتی در حالت مواد هستند، مانند تغییر از جامد به مایع یا از ابررسانا به عایق. این تغییرات زمانی رخ می‌دهد که شرایطی مانند دما یا فشار از یک نقطه بحرانی عبور کند.

هرچند یک ویژگی دیگر نیز وجود دارد که روی انتقال فاز تأثیر می‌گذارد که به آن سختی ابرشاره می‌گویند. این اندازه‌گیری مقاومت حالت ابررسانایی ماده در برابر تغییرات فاز است و نقش کلیدی در درک چگونگی شکستن ابررسانایی در طول انتقال فاز ایفا می‌کند.

به طور کلی، زمانی که ابررساناها تحت انتقال فاز قرار می‌گیرند، سختی ابرشاره به صورت پیوسته و آرام کاهش می‌یابد. با این حال، محققان در بررسی فیلم‌های اکسید ایندیوم آمورف چیز غیرمعمولی مشاهده کردند.

اکسید ایندیوم دارای چندین اختلال ساختاری، شیمیایی و در سطح اتمی است. برای درک تقویت این اختلالات، رفتار این مواد را به‌وسیله‌ی تکنیکی به نام طیف‌سنجی مایکروویو مورد مطالعه قرار دادند، که از امواج مایکروویو برای مطالعه ویژگی‌ها و رفتار داخلی یک ماده استفاده می‌کند. طیف‌سنجی به آن‌ها کمک کرد تا سختی ابرشاره اکسید ایندیوم را به‌طور دقیق اندازه‌گیری کنند.

به‌طور شگفت‌انگیز، به جای تغییر تدریجی، آن‌ها مشاهده کردند که سختی ابرشاره در فیلم‌های اکسید ایندیوم به‌طور غیرمنتظره‌ای تند کاهش یافت.

فیلم به یک حالت ویژه وارد شد

یک ماده هنگامی به‌عنوان ابررسانا عمل می‌کند که یک جفت الکترون به نام جفت کوپر به‌صورت هماهنگ حرکت کنند. در طول تحقیق خود، محققان دریافتند که وقتی اختلال به ماده اضافه می‌شود، باعث می‌شود جفت‌های کوپر رفتار غیرمعمولی داشته باشند.

معمولاً جفت‌های کوپر به یک ماده کمک می‌کنند تا بدون مقاوت برق را هدایت کند (ابررسانایی)، اما با مقدار زیادی اختلال، جفت‌های کوپر با هم رقابت می‌کنند. این منجر به یک تعارض بین حالت ابررسانایی و حالت دیگر به‌نام عایق جفت‌-کوپر شیشه‌ای می‌شود.

نویسندگان مطالعه همچنین متوجه شدند که دمایی که فیلم‌ها توانایی ابررسانایی خود را از دست دادند (دمای بحرانی) دیگر وابسته به قدرت جفت‌شدن الکترون‌ها نبود بلکه به خود سختی ابرشاره بستگی داشت.

این بدان معنی است که ماده به یک رژیم شفاف کاذب وارد شد، یک حالت ویژه که در آن جفت‌های الکترون شکل می‌گیرند اما به روشی هماهنگ برای حفظ ابررسانایی عمل نمی‌کنند.

«ما نشان می‌دهیم که دمای بحرانی فیلم‌ها دیگر با دامنه جفت‌شدن مرتبط نیست بلکه با سختی ابرشاره، مطابق با رژیم شفاف کاذب جفت‌های کوپر شکل‌گرفته، هماهنگ است» نویسندگان مطالعه گفتند.

حالت شفاف کاذب یک فاز بحرانی در برخی مواد کوانتومی، به‌ویژه ابررساناهای دمای بالا است، زیرا به توضیح رفتار و پتانسیل آن‌ها برای استفاده در فناوری‌های کوانتومی کمک می‌کند.

این مطالعه در ژورنال Nature Physics منتشر شده است.