东京工业大学(Tokyo Tech)的一个研究小组已成功检测到超导现象的微弱涨落1 ，这是超导现象的前身。这一突破是通过在较宽的磁场范围和从远高于超导转变温度到接近绝对零的极低温度的较宽温度范围内测量超导体中的热电效应2来实现的。　这揭示了超导随温度和磁场波动的全貌，并证明了磁场中反常金属态的起源，这是二维超导领域30年来未解决的问题3 ，是存在量子临界点4，在该点量子涨落最强。

● 背景

超导体是一种电子在低温下配对、电阻为零的材料。它被用作医疗 MRI 和其他应用中强大电磁体的材料。它们也被认为是在低温下运行的量子计算机中至关重要的微小逻辑元件，并且需要阐明超导体在超小型化时在低温下的特性。

原子薄的二维超导体受到涨落的强烈影响，因此表现出与较厚的超导体显着不同的特性。有两种类型的涨落：热涨落(经典涨落)，在高温下更为明显;量子涨落，在极低的温度下更为重要，后者会引起各种有趣的现象。例如，当磁场垂直施加到绝对为零的二维超导体并增加时，就会发生从零电阻超导到具有局域电子的绝缘体的转变。这种现象称为磁场诱发的超导体-绝缘体转变，是由量子涨落引起的量子相变4的典型例子。然而，自20世纪90年代以来人们就知道，对于局域效应相对较弱的样品，在中间磁场区域会出现异常金属态，其电阻比正常状态低几个数量级。这种异常金属状态的起源被认为是一种类液体状态，其中穿透超导体的磁通线(图1左)由于量子涨落而四处移动。然而，这一预测尚未得到证实，因为大多数先前的二维超导体实验都使用电阻率测量来检查电流的电压响应，因此很难区分源自磁力线运动的电压信号和源自磁力线运动的电压信号。正常传导电子的散射。

东京工业大学理学院物理系助理教授Koichiro Ienaga和Satoshi Okuma教授领导的研究小组在2020年《物理评论快报》上报道，利用热电效应在反常金属态下发生磁通线的量子运动，其中电压是根据热流(温度梯度)而不是电流产生的。然而，为了进一步阐明反常金属态的起源，有必要阐明量子涨落破坏超导态并跃迁到正常(绝缘)态的机制。在这项研究中，他们进行了旨在检测​​超导涨落状态(图1中心)的测量，超导涨落状态是超导的前体状态，被认为存在于正常状态下。

● 研究成果

在这项研究中，制备并使用了一种具有非晶结构5的钼-锗(Mo x Ge 1- x)薄膜，被称为具有均匀结构和无序的二维超导体。它的厚度为 10 纳米(一纳米是十亿分之一米)，有望具有二维系统的涨落效应特征。由于涨落信号隐藏在常导电子散射信号中，无法通过电阻率测量来检测，因此我们进行了热电效应测量，可以检测两种类型的涨落：(1)超导涨落(超导振幅涨落) )和(2)磁通线运动(超导相位波动)。当在样品的纵向施加温差时，超导波动和磁通线的运动在横向产生电压。相反，正常的电子运动主要在纵向产生电压。特别是在非晶材料等电子不易移动的样品中，电子在横向产生的电压可以忽略不计，因此可以通过测量横向电压来选择性地检测波动贡献(图1，右)。

热电效应是在各种磁场和各种温度下测量的，从远高于超导转变温度 2.4 K(开尔文)到非常低的温度 0.1 K(300 K 的 1/3000，室温) )，接近于绝对零。这表明，超导涨落不仅存在于磁通量的液体区域(图2中的深区域)，其中超导相位涨落更为明显，而且还存在于更远的更远的温度磁场区域，该区域被认为是为常态区域，超导性被破坏(图2中上凸实线上方的高温高磁场区域)。值得注意的是，首次成功检测到热(经典)涨落和量子涨落之间的交叉线(图2中的粗实线)。当交叉线达到绝对零时的磁场值可能对应于量子涨落最强的量子临界点，并且该点(图2中的白色圆圈)明显位于异常金属态出现的磁场范围内。观察到电阻。到目前为止，还不可能通过电阻率测量来检测这个量子临界点的存在。这一结果揭示了二维超导体中绝对零磁场中的反常金属态30年来一直未解的问题源于量子临界点的存在。换句话说，反常金属态是超导体-绝缘体转变的拓宽的量子临界基态。