該材料不但能用來探索超導(dǎo)新機(jī)制的秘密，而且在量子計(jì)算中也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

大約一年前麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家們展示了用合成的新材料制造的一種奇異的超導(dǎo)形式。現(xiàn)在這種類型的超導(dǎo)性已被證明難以穩(wěn)定。此外科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，用同樣的材料也可以制造出另一種奇特的超導(dǎo)形式。

這項(xiàng)工作發(fā)表在 2021 年 11 月 3 日的《自然》雜志上。

在稱為“自然超晶格”的層狀晶體中展示有限動量超導(dǎo)性，意味著可以調(diào)整材料以在同一樣品中創(chuàng)建出不同的超導(dǎo)模式。這一性質(zhì)可能會在量子計(jì)算等方面發(fā)揮作用，也有望成為探索非常規(guī)超導(dǎo)體的重要工具，對新的量子技術(shù)產(chǎn)生作用。

設(shè)計(jì)此類技術(shù)具有挑戰(zhàn)性，部分原因是它們的組成材料難以研究。而未來使用相對容易制造的新材料可以簡化此類研究。

“我們研究的一個(gè)重要主題是‘新物理學(xué)來自新材料’，”這項(xiàng)工作的首席研究員兼三井職業(yè)發(fā)展物理學(xué)副教授 Joseph Checkelsky 說，“這項(xiàng)新材料的報(bào)告是在去年年初做的。這項(xiàng)報(bào)告揭示了一種新的物理機(jī)制?！?/p>

Checkelsky 在當(dāng)前論文中的合著者主要包括 Aravind Devarakonda 博士，該作者目前在哥倫比亞大學(xué)?！靶挛锢韺W(xué)來自新材料” Devarakonda 論文的核心部分。合著者Takehito Suzuki,，前麻省理工學(xué)院研究科學(xué)家，現(xiàn)供職于日本東寶大學(xué)；麻省理工學(xué)院物理系博士后Shiang Fang；麻省理工學(xué)院物理學(xué)研究生Junbo Zhu；國家強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室的David Graf；日本 RIKEN 涌現(xiàn)物質(zhì)科學(xué)中心的 Markus Kriener；麻省理工學(xué)院物理學(xué)副教授Liang Fu；以及哈佛大學(xué)的 Ethimios Kaxiras。

新型量子材料

經(jīng)典物理學(xué)可用于解釋構(gòu)成我們世界基礎(chǔ)的任意現(xiàn)象——直到事物變得非常小。但是像電子和夸克這樣的亞原子粒子的行為方式卻與宏觀事物完全不同，這些方式目前人類仍未完全了解。量子力學(xué)試圖解釋它們的行為和由此產(chǎn)生的影響。

Checkelsky 及其同事發(fā)現(xiàn)了一種新的量子材料，該材料在宏觀尺度上表現(xiàn)出量子力學(xué)的奇異特性。在這種情況下，所討論的材料是超導(dǎo)體。

Checkelsky 解釋說，最近出現(xiàn)了一種對二維或只有幾個(gè)原子層厚的特殊超導(dǎo)體進(jìn)行研究的熱潮。這些新的超薄超導(dǎo)體之所以引起人們的興趣，部分原因是對它們的研究有助于對超導(dǎo)機(jī)制的深入了解。

但依舊存在挑戰(zhàn)。由于只有幾個(gè)原子層厚的材料非常脆弱，因此很難研究。那么是否有另一種方法，可以挖掘超導(dǎo)的秘密？

Checkelsky 和同事制造的新材料可以被認(rèn)為是“千層餅”的超導(dǎo)等效物，其中一層是超導(dǎo)材料的超薄膜，而下一層是保護(hù)它的超薄間隔層。將這些層一層一層地堆疊在一起會產(chǎn)生一個(gè)大晶體（當(dāng)硫、鈮和鋇的組成元素一起加熱時(shí)，就會自然形成這種晶體）?！斑@樣的宏觀晶體可以握在手中，但其表現(xiàn)就像一個(gè)二維超導(dǎo)體。這非常令人驚訝，”Checkelsky 說。

科學(xué)家用來研究二維超薄超導(dǎo)體的多種探針，在這種晶體上使用卻具有挑戰(zhàn)性。因?yàn)樾虏牧咸罅耍拔覀儸F(xiàn)在有更多的工具來代替它，”Checkelsky 說。事實(shí)上，對于當(dāng)前論文中報(bào)告的工作，科學(xué)家們使用了一種需要大量樣本的技術(shù)。

異國情調(diào)的超導(dǎo)體

超導(dǎo)體以一種特殊的方式攜帶電荷，是由兩個(gè)電子以所謂的庫珀對結(jié)合來攜帶的。然而，并非所有的超導(dǎo)體都是一樣的。一些不尋常的超導(dǎo)形式只有在庫珀對可以在相對長的距離內(nèi)不受阻礙地穿過材料時(shí)才會出現(xiàn)。晶體越干凈，庫珀對不受阻礙的距離越長。

Checkelsky 團(tuán)隊(duì)的材料非常“干凈”。結(jié)果，物理學(xué)家很高興看到它表現(xiàn)出不尋常的超導(dǎo)狀態(tài)，而事實(shí)確實(shí)如此。在目前的論文中，該團(tuán)隊(duì)表明他們的新材料正是在1960年代就令科學(xué)家十分著迷的——可施加磁場的有限動量超導(dǎo)體。

Aravind Devarakonda博士寫了一篇描述一種奇異超導(dǎo)形式的論文。

雖然超導(dǎo)性通常會被磁場破壞，但有限動量超導(dǎo)體可以通過具有大量庫珀對和沒有庫珀對的區(qū)域的規(guī)則模式來進(jìn)一步持續(xù)。事實(shí)證明，當(dāng)庫珀對在朗道能級的量子力學(xué)軌道之間移動時(shí)，這種超導(dǎo)體可以形成各種不尋常的模式。”這意味著，科學(xué)家們現(xiàn)在應(yīng)該能夠在同一種材料中創(chuàng)造出不同的超導(dǎo)模式?！癈heckelsky 說。

“這是一項(xiàng)引人注目的實(shí)驗(yàn)，能夠證明庫珀對在超導(dǎo)體中的朗道能級之間可以移動，這是以前從未觀察到的。坦率地說，我從沒想過會從你握在手中的晶體中觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象，這非常令人興奮。為了觀察這種難以捉摸的效果，作者必須對他們之前發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特二維超導(dǎo)體進(jìn)行高精度測量。這是一項(xiàng)了不起的成就，不僅體現(xiàn)在技術(shù)難度上，還體現(xiàn)在巧妙上，”康奈爾大學(xué)物理學(xué)教授Kyle Shen說。Shen沒有參與這項(xiàng)研究。

此外，物理學(xué)家們意識到他們的材料還具有另一種奇異的超導(dǎo)性質(zhì)。拓?fù)涑瑢?dǎo)的電荷可以沿材料邊緣移動。在這種情況下，電荷可以沿著每個(gè)內(nèi)部超導(dǎo)圖案的邊緣傳播。

Checkelsky 團(tuán)隊(duì)目前正在研究他們的材料是否確實(shí)具有拓?fù)涑瑢?dǎo)性。如果是這樣，“我們可以將兩種新型超導(dǎo)性結(jié)合起來嗎？那能帶來什么？” Checkelsky問道。

“這種新材料非常有趣，”他總結(jié)道。“當(dāng)我們深入了解它可以做什么時(shí)，就會有許多驚喜。每當(dāng)出現(xiàn)我們意想不到的新事物時(shí)，都很令人興奮。”

參考文獻(xiàn)：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03915-3

編譯：王少雙

編輯：王珩