普林斯顿大学的一项新研究将超导性推向了极限

普林斯顿大学的一个实验室发现了一项物理学家们长期未能发现的发现。一组物理学家在超导材料的外边缘探测到了超导电流——即不消耗能量的电子流动。这一发现发表在5月1日的《科学》杂志上。

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普林斯顿大学的研究人员发现,超导电流沿着具有拓扑特性的超导体的外边缘流动,这意味着通向拓扑超导性的路径可能在未来的量子计算机中有用。超导性由图中的黑心表示,黑心表示对电流没有阻力。锯齿状图案表示超电流的振荡,它随外加磁场的强度而变化。

研究人员研究的超导体也是一种拓扑半金属,这种材料有其独特的电子特性。这一发现为开启一个“拓扑超导”的新时代提供了一些方法,可能对量子计算有价值。

“据我们所知,这是在任何超导体中首次观察到边缘超流,”普林斯顿大学(Princeton)物理学教授尤金·希金斯(Eugene Higgins)说,他也是这项研究的资深作者。在这篇文章中你可以学到更多关于拓扑材料的知识。

N. Phuan Ong

N. Phuan Ong,普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授

“我们的动机问题是,当材料内部不是绝缘体而是超导体时会发生什么?”Ong说。“当超导性在拓扑材料中发生时,会出现什么新特性?”

虽然传统的超导体已经在磁共振成像(MRI)和长距离输电线路中得到了广泛的应用,但新型的超导性可能会释放出超越我们所熟悉的技术限制的能力。

普林斯顿大学和其他地方的研究人员一直在探索超导性和拓扑绝缘体之间的联系。拓扑绝缘体是一种材料,其不符合电子行为是2016年诺贝尔物理学奖授予普林斯顿大学谢尔曼·费尔柴尔德大学(Sherman Fairchild University)物理学教授f·邓肯·霍尔丹(F. Duncan Haldane)的主题。

拓扑绝缘体是具有绝缘内部和导电表面的晶体,就像用锡纸包裹的布朗尼蛋糕。在导电材料中,电子可以从一个原子跳到另一个原子,从而使电流得以流动。绝缘体是电子被粘住而不能移动的材料。然而奇怪的是,拓扑绝缘体允许电子在其表面运动,而不允许电子在其内部运动。

为了探索拓扑材料中的超导性,研究人员使用了一种名为二甲苯钼的晶体材料,这种材料具有拓扑特性,而且一旦温度下降到零下459华氏度,它也是一种超导体。

“到目前为止,大多数实验都是通过将一种材料与另一种材料紧密结合,‘注入’超导性到拓扑材料中,”进行了许多实验的电气工程研究生斯蒂芬·金(Stephan Kim)说。“我们测量的不同之处在于,我们没有注入超导性,但我们能够显示边缘状态的特征。”

A graduate student with scientific equipment

电子工程系的研究生Stephan Kim进行了在拓扑材料中演示超电流的实验。

研究小组首先在实验室中培育晶体,然后将其冷却到超导性发生的温度。然后他们在测量通过晶体的电流时施加一个弱磁场。他们观察到,当磁场增加时,一个叫做临界电流的量会出现锯齿状的振荡。

振荡的高度和振荡的频率都符合预测,即这些波动是如何由限制在材料边缘的电子的量子行为引起的。

“当我们完成第一个样品的数据分析,我看着我的电脑屏幕,不能相信自己的眼睛,我们观察到的振动是如此美丽而神秘,“王无敌说,领导这项研究的第一作者,赢得了他在2019年普林斯顿大学物理学博士学位。“这就像一个谜题,它开始显现出来,等待着被解决。后来,当我们从不同的样本中收集到更多的数据时,我惊讶地发现这些数据是如此完美地吻合在一起。”

研究人员早就知道,当正常情况下随机移动的电子结合成二形成库柏对时,就会产生超导性,从某种意义上说,库柏对的节奏是相同的。“一个粗略的类比是,10亿对夫妻在进行同样严格的脚本编排,”Ong说。

电子所遵循的文字被称为超导体的波函数,它大致可以被看作是沿着超导导线长度延伸的一条带,Ong说。波函数的轻微扭曲迫使所有的铜对在一根长导线中以与“超流体”相同的速度移动——换句话说,就像一个单一的集合,而不是像单个的粒子——流动而不产生热量。

Ong说,如果带子上没有扭曲,库柏对就是静止的,没有电流流动。如果研究人员将超导体暴露在弱磁场中,就会增加额外的扭转作用,研究人员称之为磁通量,对于像电子这样的非常小的粒子,磁通量遵循量子力学的规则。

研究人员预计,这两种扭曲的数量——超流体速度和磁通量——共同作用,使扭曲的数量保持为一个精确的整数,一个完整的数字,如2、3或4,而不是3.2或3.7。他们预测,随着磁通量的平稳增加,超流体速度将呈锯齿状增加,因为超流体速度会调整以抵消额外的0.2或增加的0.3,从而得到准确的扭转数。

Wudi Wang

该研究的第一作者王武迪领导了这项研究,并进行了许多实验。他于2019年在普林斯顿大学获得物理学博士学位。

研究小组在改变磁通量的同时测量了超流体的电流,发现确实可以看到锯齿状的图案。

在双碲化钼和其他所谓的微元半金属中,这种电子在体中的协同配对似乎在边缘诱发了类似的配对。

研究人员指出,目前还没有很好地理解为什么边缘超流仍然独立于本体超流。昂把集体运动的电子,也称为冷凝物,比作液体的水坑。

“从传统的预期来看,人们会认为两个直接接触的水坑会合并成一个,”Ong说。“然而,实验表明,边缘凝聚物与晶体的大部分仍然不同。”

研究小组推测,使这两种凝聚态不混合的机理是继承了双碲化钼中受保护边缘态的拓扑保护。该小组希望将同样的实验技术应用于寻找其他非传统超导体的边缘超电流。

“可能有几十个这样的人,”Ong说。

资助:该研究由美国陆军研究办公室(W911NF-16-1-0116)资助。稀释冰箱实验得到了美国能源部的支持(DE- SC0017863)。N.P.O.和R.J.C.通过GBMF4539 (N.P.O.)和GBMF-4412 (R.J.C.)的资助,感谢戈登和贝蒂·摩尔基金会在量子系统领域的涌现现象项目。结晶的生长和表征由F.A.C.和R.J.C.进行获得了美国国家科学基金会(NSF MRSEC赠款DMR 1420541)的支持。

这项研究,“在Weyl超导体MoTe2中存在边缘超流的证据”,作者:Wudi Wang, Stephan Kim, Minhao Liu, F. A. Cevallos, Robert。J. Cava和Nai Phuan Ong于2020年5月1日发表在《科学》杂志上。10.1126 / science.aaw9270

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.princeton.edu/news/2020/05/01/new-princeton-study-takes-superconductivity-edge

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