科学家以原子尺度研究超导体中库珀对,有助探索量子材料

近日,科学家在原子尺度上对超导体中库珀对(Cooper pairs)进行实验探测,为研究量子材料提供了一种全新方法,并有助于了解非常规超导体(unconventional superconductors)。

超导体与原子尺度下的金属尖端之间的安德烈夫反射,图片来自Jose Lado/阿尔托大学

自然界最迷人的量子现象之一是超导。当超导材料冷却到临界温度以下时,电阻为零,且具有完全抗磁性。在实验中,若导体电阻的测量值低于10的负25次方Ω(欧姆),可以认为其电阻为零。

超导领域研究可追溯到一百多年前。1911年,荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes等人发现超导体汞在极低温度下(绝对零度-273.15℃以上几度),其电阻消失,呈现超导状态,即汞的超导特性。1933年,Walther Meissner和Robert Ochsenfeld两位科学家发现超导体的完全抗磁性,后称为“迈斯纳效应”(Meissner effect)。

随着超导领域研究日趋深入,具有前述特性的超导体广泛用于各个领域,包括磁悬浮、磁共振成像(MRI)、核磁共振(NMR)、粒子加速器、粒子探测器、电力传输、制造量子计算机等。

超导体作为一种电阻为零的材料,通常需要极低温度。超导性由被称为库珀对的特殊连接电子对引起。库珀对是美国物理学家Leon Cooper于1956年首次提出,描述低温下一对电子(或其他费米子)以某种方式束缚在一起的理论。在低温超导体中,电子并不是单个进行运动,而是以弱耦合形式形成配对,即库珀对。形成库珀对的两个电子,一个自旋向上,另一个自旋向下。

此前,库珀对的存在已经多次通过宏观方式间接测量。但现在,由芬兰阿尔托大学和美国橡树岭国家实验室的研究人员开发的一项新技术能够以原子精度检测它们的存在。相关成果发表在《纳米快报》(Nano Letters)。

美国橡树岭国家实验室Wonhee Ko和Petro Maksymovych在阿尔托大学教授Jose Lado理论支持下进行了实验。

电子可以通过量子隧道穿越能量势垒,在空间中从一个系统跳到另一个系统,这是经典物理学无法解释的一种现象。例如,如果一个入射电子恰好在金属(N)和超导体(S)的交界处与另一个电子(e)配对,它可以形成一个进入超导体的库珀对,同时会在金属中形成与之前入射电子自旋相反的空穴(hole),如图所示。这一过程被称为安德烈夫反射(Andreev reflection),由俄国物理学家Alexander F. Andreev首次发现。

安德烈夫反射示意图

前述研究人员通过安德烈夫反射来检测库珀对。他们测量了原子尺度下的金属尖端和超导体之间的电流,以及电流如何存在于尖端和超导体之间。这使他们能够探测到返回超导体的安德烈夫反射量,同时保持与单原子相当的成像分辨率。实验结果与Lado提出的理论模型完全吻合。

前述科学家在原子尺度上对库珀对的实验探测,为探索量子材料提供了全新方法。研究人员首次能够确定库珀对的波函数在原子尺度上是如何重构的,以及库珀对与原子尺度的杂质和其他障碍物之间是如何相互作用的。

图片来自论文

“这项技术建立了一种重要的新方法,用于研究被称为非常规超导体的一种奇特类型超导体内部的量子结构,有可能让我们解决量子材料中的各种开放性问题。”阿尔托大学教授Lado说道。

非常规超导体是量子计算机的潜在基本构件,可以提供在室温下实现超导的平台。在非常规超导体中,库珀对具有独特的内部结构。前述研究可以直接探测到非常规超导体中库珀对的状态,有助于探索和了解量子材料,推动开发量子技术。


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