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麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家們在該團隊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60年代就已經(jīng)預(yù)測到了，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。此外，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)同樣的材料有可能被操縱來表現(xiàn)出另一種同樣奇特的超導(dǎo)性形式。
這項工作在2021年11月3日的《自然》雜志上報道。
在一種被稱為天然超晶格的層狀晶體中展示有限動量超導(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。而這反過來又可能對量子計算等產(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。這可能對新的量子技術(shù)有用。設(shè)計這種技術(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。這種新材料可以簡化這種研究，因為除其他外，它相對容易制造。
"我們研究的一個重要主題是新的物理學(xué)來自于新的材料，"這項工作的主要研究者Joseph Checkelsky說。“我們?nèi)ツ甑某醪綀蟾媸顷P(guān)于這種新材料的。這項新工作報告了新的物理學(xué)。”
經(jīng)典物理學(xué)可以用來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。進入量子力學(xué)，這個領(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，最近有一個實現(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對超導(dǎo)性本身的深入了解。
但是也有挑戰(zhàn)。首先，只有幾個原子層厚的材料本身就很難研究，因為它們是如此精細。能否有另一種方法來揭開它們的秘密？
Checkelsky及其同事制造的新材料可以被認為是相當于一個層狀蛋糕的超導(dǎo)材料，其中一層是超導(dǎo)材料的超薄薄膜，而下一層是保護它的超薄間隔層。將這些層層疊加在一起，就會形成一個大的晶體(當硫、鈮和鋇的組成元素一起加熱時，這種情況自然會發(fā)生)。"而那個宏觀晶體，我可以拿在手里，表現(xiàn)得像一個二維超導(dǎo)體。這是非常令人驚訝的，"Checkelsky說。
科學(xué)家們用來研究二維超導(dǎo)體的許多探針，在原子級薄的材料上使用是具有挑戰(zhàn)性的。Checkelsky說，由于這種新材料如此之大，“我們現(xiàn)在有更多的工具(來表征它)”。事實上，對于目前論文中報告的工作，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。電荷不是通過一個電子攜帶，而是由兩個電子結(jié)合在一起，即所謂的庫珀對。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)形式只有在庫珀對能夠不受阻礙地在材料中跨越相對較長的距離時才能出現(xiàn)。距離越長，材料就越"干凈"。
Checkelsky團隊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表現(xiàn)出一種不尋常的超導(dǎo)狀態(tài)，而它確實如此。在目前的論文中，該團隊表明，他們的新材料在施加磁場時是一種有限動量的超導(dǎo)體。這種特殊的超導(dǎo)性是在20世紀60年代提出的，一直吸引著科學(xué)家。
雖然超導(dǎo)性通常會被適度的磁場破壞，但有限動量的超導(dǎo)體可以通過形成具有大量庫珀對的區(qū)域和沒有庫珀對的區(qū)域的規(guī)則模式而進一步持續(xù)下去。事實證明，隨著庫珀對在被稱為朗道級的量子力學(xué)軌道之間的移動，這種超導(dǎo)體可以被操縱來形成各種不尋常的模式。Checkelsky說，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。
“這是一個引人注目的實驗，它能夠證明庫珀對在超導(dǎo)體的朗道級之間移動，這是以前從未被觀察到的。坦率地說，我從來沒有預(yù)料到會在一個你可以拿在手里的晶體中看到這一點，所以這非常令人興奮。”為了觀察這種難以捉摸的效應(yīng)，作者不得不對他們之前發(fā)現(xiàn)的一種獨特的二維超導(dǎo)體進行艱苦的、高精度的測量。康奈爾大學(xué)物理學(xué)教授Kyle Shen說：“這是一個了不起的成就，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)家們意識到，他們的材料還具有另一種奇特的超導(dǎo)性的成分。拓撲超導(dǎo)性涉及電荷沿邊緣或邊界的移動。在這種情況下，電荷可以沿著每個內(nèi)部超導(dǎo)圖案的邊緣移動。
Checkelsky團隊目前正在努力研究他們的材料是否確實能夠?qū)崿F(xiàn)拓撲超導(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？那會帶來什么？”Checkelsky問道。
他總結(jié)說：“實現(xiàn)這種新材料是一件非常有趣的事情。當我們深入了解它能做什么的時候，已經(jīng)有很多驚喜了。當新的東西出現(xiàn)在我們意想不到的地方時，這真的很令人興奮。”
(原標題：研究稱奇特的新材料或是兩種超導(dǎo)體的結(jié)合體 具有重要的量子計算用途)
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