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麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家們?cè)谠搱F(tuán)隊(duì)大約一年前才合成的一種新材料中展示了一種奇特的超導(dǎo)形式。盡管在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)預(yù)測(cè)到了，但直到現(xiàn)在這種類型的超導(dǎo)性已經(jīng)被證明很難穩(wěn)定下來(lái)。此外，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)同樣的材料有可能被操縱來(lái)表現(xiàn)出另一種同樣奇特的超導(dǎo)性形式。
這項(xiàng)工作在2021年11月3日的《自然》雜志上報(bào)道。
在一種被稱為天然超晶格的層狀晶體中展示有限動(dòng)量超導(dǎo)性意味著這種材料可以被調(diào)整，以便在同一樣品中創(chuàng)造不同的超導(dǎo)模式。而這反過(guò)來(lái)又可能對(duì)量子計(jì)算等產(chǎn)生影響。
該材料也有望成為探尋非常規(guī)超導(dǎo)體秘密的重要工具。這可能對(duì)新的量子技術(shù)有用。設(shè)計(jì)這種技術(shù)是具有挑戰(zhàn)性的，部分原因是它們所組成的材料可能難以研究。這種新材料可以簡(jiǎn)化這種研究，因?yàn)槌渌猓鄬?duì)容易制造。
"我們研究的一個(gè)重要主題是新的物理學(xué)來(lái)自于新的材料，"這項(xiàng)工作的主要研究者Joseph Checkelsky說(shuō)。“我們?nèi)ツ甑某醪綀?bào)告是關(guān)于這種新材料的。這項(xiàng)新工作報(bào)告了新的物理學(xué)。”
經(jīng)典物理學(xué)可以用來(lái)解釋支撐我們世界的任何數(shù)量的現(xiàn)象--直到事情變得非常小。像電子和夸克這樣的亞原子粒子的行為是不同的，其方式仍未被完全理解。進(jìn)入量子力學(xué)，這個(gè)領(lǐng)域試圖解釋它們的行為和產(chǎn)生的影響。
Checkelsky及其同事發(fā)現(xiàn)了一種新的量子材料，或者說(shuō)在宏觀尺度上表現(xiàn)出量子力學(xué)的奇異特性的材料。在這種情況下，有關(guān)的材料是一種超導(dǎo)體。
Checkelsky解釋說(shuō)，最近有一個(gè)實(shí)現(xiàn)特殊超導(dǎo)體的熱潮，這些超導(dǎo)體是二維的，或者只有幾個(gè)原子層厚。這些新的超薄超導(dǎo)體引起了人們的興趣，部分原因是它們有望給人們帶來(lái)對(duì)超導(dǎo)性本身的深入了解。
但是也有挑戰(zhàn)。首先，只有幾個(gè)原子層厚的材料本身就很難研究，因?yàn)樗鼈兪侨绱司?xì)。能否有另一種方法來(lái)揭開(kāi)它們的秘密？
Checkelsky及其同事制造的新材料可以被認(rèn)為是相當(dāng)于一個(gè)層狀蛋糕的超導(dǎo)材料，其中一層是超導(dǎo)材料的超薄薄膜，而下一層是保護(hù)它的超薄間隔層。將這些層層疊加在一起，就會(huì)形成一個(gè)大的晶體(當(dāng)硫、鈮和鋇的組成元素一起加熱時(shí)，這種情況自然會(huì)發(fā)生)。"而那個(gè)宏觀晶體，我可以拿在手里，表現(xiàn)得像一個(gè)二維超導(dǎo)體。這是非常令人驚訝的，"Checkelsky說(shuō)。
科學(xué)家們用來(lái)研究二維超導(dǎo)體的許多探針，在原子級(jí)薄的材料上使用是具有挑戰(zhàn)性的。Checkelsky說(shuō)，由于這種新材料如此之大，“我們現(xiàn)在有更多的工具(來(lái)表征它)”。事實(shí)上，對(duì)于目前論文中報(bào)告的工作，科學(xué)家們使用了一種需要大量樣品的技術(shù)。
超導(dǎo)體以一種特殊的方式攜帶電荷。電荷不是通過(guò)一個(gè)電子攜帶，而是由兩個(gè)電子結(jié)合在一起，即所謂的庫(kù)珀對(duì)。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(kù)珀對(duì)能夠不受阻礙地在材料中跨越相對(duì)較長(zhǎng)的距離時(shí)才能出現(xiàn)。距離越長(zhǎng)，材料就越"干凈"。
Checkelsky團(tuán)隊(duì)的材料是非常干凈的。因此，物理學(xué)家們很想知道它是否會(huì)表現(xiàn)出一種不尋常的超導(dǎo)狀態(tài)，而它確實(shí)如此。在目前的論文中，該團(tuán)隊(duì)表明，他們的新材料在施加磁場(chǎng)時(shí)是一種有限動(dòng)量的超導(dǎo)體。這種特殊的超導(dǎo)性是在20世紀(jì)60年代提出的，一直吸引著科學(xué)家。
雖然超導(dǎo)性通常會(huì)被適度的磁場(chǎng)破壞，但有限動(dòng)量的超導(dǎo)體可以通過(guò)形成具有大量庫(kù)珀對(duì)的區(qū)域和沒(méi)有庫(kù)珀對(duì)的區(qū)域的規(guī)則模式而進(jìn)一步持續(xù)下去。事實(shí)證明，隨著庫(kù)珀對(duì)在被稱為朗道級(jí)的量子力學(xué)軌道之間的移動(dòng)，這種超導(dǎo)體可以被操縱來(lái)形成各種不尋常的模式。Checkelsky說(shuō)，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。
“這是一個(gè)引人注目的實(shí)驗(yàn)，它能夠證明庫(kù)珀對(duì)在超導(dǎo)體的朗道級(jí)之間移動(dòng)，這是以前從未被觀察到的。坦率地說(shuō)，我從來(lái)沒(méi)有預(yù)料到會(huì)在一個(gè)你可以拿在手里的晶體中看到這一點(diǎn)，所以這非常令人興奮。”為了觀察這種難以捉摸的效應(yīng)，作者不得不對(duì)他們之前發(fā)現(xiàn)的一種獨(dú)特的二維超導(dǎo)體進(jìn)行艱苦的、高精度的測(cè)量。康奈爾大學(xué)物理學(xué)教授Kyle Shen說(shuō)：“這是一個(gè)了不起的成就，不僅在其技術(shù)難度上，而且在其聰明程度上。”
此外，物理學(xué)家們意識(shí)到，他們的材料還具有另一種奇特的超導(dǎo)性的成分。拓?fù)涑瑢?dǎo)性涉及電荷沿邊緣或邊界的移動(dòng)。在這種情況下，電荷可以沿著每個(gè)內(nèi)部超導(dǎo)圖案的邊緣移動(dòng)。
Checkelsky團(tuán)隊(duì)目前正在努力研究他們的材料是否確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)性。如果是這樣，“我們能不能把這兩種新的超導(dǎo)類型結(jié)合起來(lái)？那會(huì)帶來(lái)什么？”Checkelsky問(wèn)道。
他總結(jié)說(shuō)：“實(shí)現(xiàn)這種新材料是一件非常有趣的事情。當(dāng)我們深入了解它能做什么的時(shí)候，已經(jīng)有很多驚喜了。當(dāng)新的東西出現(xiàn)在我們意想不到的地方時(shí)，這真的很令人興奮。”
(原標(biāo)題：研究稱奇特的新材料或是兩種超導(dǎo)體的結(jié)合體 具有重要的量子計(jì)算用途)
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