奇异的新材料可以将两个超导体合二为一具有重要量子计算应用
麻省理工学院的物理学家和同事们在大约一年前合成的一种新材料中展示了一种奇异的超导形式。尽管在 1960 年代预测，但直到现在这种类型的超导性已被证明难以稳定。此外，科学家们发现，同样的材料可能会被操纵以表现出另一种同样奇特的超导形式。这项工作发表在 2021 年 11 月 3 日的《 自然 》杂志 上 。
在称为自然超晶格的层状晶体中展示有限动量超导性意味着可以调整材料以在同一样品中创建不同的超导模式。反过来，这可能会对量子计算等产生影响。
该材料也有望成为 探索 非常规超导体秘密的重要工具。这可能对新的量子技术有用。设计此类技术具有挑战性，部分原因是它们的组成材料难以研究。新材料可以简化此类研究，因为除其他外，它相对容易制造。
“我们研究的一个重要主题是新物理学来自新材料，”这项工作的首席首席研究员兼三井职业发展物理学副教授约瑟夫·切克尔斯基说。“我们去年的初步报告是关于这种新材料的。这项新工作报告了新物理学。”
经典物理学可用于解释构成我们世界基础的任意数量的现象——直到事物变得非常小。像电子和夸克这样的亚原子粒子的行为方式不同，其方式仍未完全了解。进入量子力学，该领域试图解释它们的行为和由此产生的影响。
Checkelsky 及其同事发现了一种新的量子材料，或一种在宏观尺度上表现出量子力学奇异特性的材料。在这种情况下，所讨论的材料是超导体。
Checkelsky 解释说，最近出现了一种实现二维或只有几个原子层厚的特殊超导体的热潮。这些新的超薄超导体之所以引起人们的兴趣，部分原因是它们有望深入了解超导本身。
但也存在挑战。一方面，只有几个原子层厚的材料本身很难研究，因为它们非常脆弱。是否有另一种方法可以挖掘他们的秘密？
Checkelsky 及其同事制造的新材料可以被认为是层饼的超导等效物，其中一层是超导材料的超薄膜，而下一层是保护它的超薄间隔层。将这些层一层一层地堆叠在一起会产生一个大晶体（当硫、铌和钡的组成元素一起加热时，这自然发生）。“我可以握在手中的那个宏观晶体就像一个二维超导体。这非常令人惊讶，”Checkelsky 说。
科学家用来研究二维超导体的许多探针在原子级薄材料上使用具有挑战性。因为新材料太大了，“我们现在有更多的工具[来表征它]，”Checkelsky 说。事实上，对于当前论文中报告的工作，科学家们使用了一种需要大量样本的技术。
超导体以一种特殊的方式携带电荷。电荷不是通过一个电子，而是由两个电子以所谓的库珀对结合在一起来携带的。然而，并非所有的超导体都是一样的。一些不寻常的超导形式只有在库珀对可以在相对长的距离内不受阻碍地穿过材料时才会出现。距离越长，材料越“干净”。
Checkelsky 团队的材料非常干净。结果，物理学家很高兴看到它是否可能表现出不寻常的超导状态，而事实确实如此。在目前的论文中，该团队表明他们的新材料是施加磁场的有限动量超导体。这种在 1960 年代提出的特殊超导性一直令科学家着迷。
虽然超导性通常会被适度的磁场破坏，但有限动量超导体可以通过形成具有大量库珀对和没有库珀对的区域的规则模式来进一步持续。事实证明，当库珀对在被称为朗道能级的量子力学轨道之间移动时，这种超导体可以被操纵以形成各种不寻常的模式。这意味着，Checkelsky 说，科学家们现在应该能够在同一种材料中创造出不同的超导模式。
“这是一项引人注目的实验，能够证明库珀对在超导体中的朗道能级之间移动，这是以前从未观察到的。坦率地说，我从没想过会在你可以握在手中的水晶中看到它，所以这非常令人兴奋。为了观察这种难以捉摸的效果，作者必须对他们之前发现的独特二维超导体进行艰苦的高精度测量。这是一项了不起的成就，不仅体现在技术难度上，还体现在其巧妙之处，”康奈尔大学物理学教授凯尔沉说。沉没有参与这项研究。
此外，物理学家们意识到他们的材料还具有另一种奇异的超导性的成分。拓扑超导涉及电荷沿边缘或边界的移动。在这种情况下，电荷可以沿着每个内部超导图案的边缘传播。
Checkelsky 团队目前正在研究他们的材料是否确实具有拓扑超导性。如果是这样，“我们可以将两种新型超导性结合起来吗？那能带来什么？” 切克尔斯基问道。
“实现这种新材料非常有趣，”他总结道。“当我们深入了解它可以做什么时，出现了许多惊喜。当出现我们意想不到的新事物时，真的很令人兴奋。”
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