物理学家们长久以来未能发现的一项新发现-超导电性到了极限

时间:2020-06-01 23:44 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

物理学家们长久以来未能发现的一项新发现-超导电性到了极限

普林斯顿大学的研究人员发现了一种超电流。无能量损耗的电流;在具有拓扑扭曲的超导体的边缘。

物理学家们在普林斯顿大学的一个实验室里发现了一项长期以来一直未被发现的发现。一组物理学家探测到了超导电流。不浪费能量的电子流动;沿着超导材料的外边缘。这一发现发表在5月1日的《科学》杂志上。

研究人员所研究的超导体也是一种拓扑结构的半金属,这种材料具有不同寻常的电子特性。这一发现为开启拓扑超导体的新时代提供了一些建议。这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电流。这项研究的资深作者、普林斯顿大学的尤金·希金斯物理学教授奈芬·昂说。

我们的动机问题是,当材料的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,会产生哪些新的特性?

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,但新型的超导体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。2016年诺贝尔物理学奖的得主是来自普林斯顿大学的谢尔曼·费尔柴尔德教授f·邓肯·霍尔丹。

拓扑绝缘体是具有绝缘内部和导电表面的晶体,就像用锡箔包裹的布朗尼。在导电材料中,电子可以从一个原子跳到另一个原子,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,所做的大多数实验都涉及到注射。通过使一种材料与另一种材料接近而使超导性变为拓扑材料。电子工程专业的研究生史蒂芬·金(Stephan Kim)说,他进行了很多实验。我们测量的不同之处在于我们没有注入超导性,但我们能够显示出边缘状态的特征。

研究小组首先在实验室中培育出晶体,然后将其冷却到产生超导性的温度。然后他们在测量流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,一个被称为临界电流的量会呈现出锯齿状的振荡。

振荡的高度和振荡的频率都符合对这些波动如何产生的预测,这些波动是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本的数据分析时,我看着我的电脑屏幕,不敢相信我的眼睛,我们观察到的振荡是如此美丽,但又是如此神秘。王武迪说,他作为第一作者领导了这项研究,并于2019年在普林斯顿大学获得了物理学博士学位。这就像一个谜题,开始自己显现出来,等待着被解开。后来,当我们从不同的样本中收集到更多的数据时,我惊奇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,形成库珀对时,超导性就产生了。从某种意义上说,库珀对的跳动是相同的。一个粗略的类比是,10亿对夫妻执行着同样严格的脚本编排的舞蹈。Ong说。

电子所遵循的“脚本”被称为“超导波函数”,它可以粗略地看作是沿着超导导线延伸的一根带子,Ong说。波函数的一个微小的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。本;换句话说,它像一个单一的集合,而不是像单个粒子;流动时不产生热量。

研究人员预计,这两个对扭转次数、超流体速度和磁通量有贡献的因素共同作用,使扭转次数保持为一个精确的整数,一个完整的数字,比如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,超流体速度将以锯齿状的方式增加,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。

研究小组在改变磁通量时测量了超流体电流,发现确实可以看到锯齿状的图案。

在双硅酸钼和其他所谓的半金属中,这种电子的协同配对似乎会在边缘产生类似的配对。

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。

从经典的预期来看,人们会认为两个直接接触的流体水坑会合并成一个水坑。Ong说。然而,实验表明,边缘凝聚物与晶体中大部分的凝聚物仍然不同。

研究小组推测,使两种凝聚态不混合的机制是钼双硅酸盐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。

外面可能有几十个这样的人。Ong说只

在Weyl超导体中存在边缘超电流的证据王武迪,金斯蒂凡,刘敏好,塞瓦洛斯,罗伯特。J. Cava和naphuan Ong, 2020年5月1日,《科学》。

DOI: 10.1126 / science.aaw9270

资助:该研究得到了美国陆军研究办公室(W911NF-16-1-0116)的支持。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”项目的支持。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。

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