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科技前沿：拓撲半金屬具有超導現象
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科技前沿：拓撲半金屬具有超導現象
圖片來源：Stephan Kim, Princeton University
普林斯頓大學實驗室探測到了一個物理學家們長期尋找的現象。一支物理學家團隊在一種超導材料上檢測到了沿著其外部邊緣存在的超導電流，這是一種流動過程中沒有能量損耗的電子流。該發現發表在《科學》雜誌上。
該研究使用的超導體同時也是一種拓撲半金屬，這種材料擁有不同尋常的電子學特性。該發現揭示了解鎖“拓撲超導性”新領域的方法，對量子計算具有重大意義。
普林斯頓大學物理學教授、研究資深作者Nai-Phuan Ong說：“據我們所知，這是首次在任何超導體中觀測到邊緣態超導電流。”
“我們的研究動機，是了解當材料內部不是絕緣體而是超導體會發生什麽，”Nai-Phuan Ong說，“以及當超導發生在拓撲材料內部會出現怎樣的新特征。”
常規的超導體早已廣泛應用在磁共振成像（MRI）和遠距離傳輸線路中，但新的超導性質可能釋放超越我們熟悉的技術限製的能力。
普林斯頓大學和其他機構的研究人員一直在探索超導性和拓撲絕緣體之間的聯係，這是一種擁有非典型電子行為的材料。2016年，普林斯頓大學物理學教授F.Duncan Haldane因為這方麵研究獲得了諾貝爾物理學獎。
圖片來源：Pixabay
拓撲絕緣體是一類晶體，擁有絕緣的內部和導電的表麵，就像包裹在錫紙中的布朗尼蛋糕。在導電材料中，電子可以從一個原子跳到另一個原子，從而使得電流流動。而絕緣材料中的電子被卡住，因此無法移動。但奇怪的是，拓撲絕緣體允許電子在其表麵運動，而在內部則不行。
為了探索拓撲材料的超導性，研究人員使用了稱為二碲化鉬（molybdenum ditelluride）的晶體材料，這種材料具有拓撲特性，並且當溫度下降到100毫開爾文以下，它就變成了超導體。
“目前為止，學界所做的大部分實驗都嚐試通過將一種材料靠近另一種材料，從而把超導性‘注入’拓撲材料中。”電子工程學研究生Stephan Kim說，他進行過很多這樣的實驗。他繼續說：“我們這次測量的不同之處在於，我們沒有注入超導性，但卻成功讓材料顯示出邊緣態（edge state）的特征。”
團隊首先在實驗室中生長晶體，然後將晶體冷卻至產生超導性的溫度。接下來，他們施加了一個弱磁場，同時測量通過晶體的電流。他們觀察到，隨著磁場的增強，一種稱為臨界電流的量會出現振蕩，表現為鋸齒狀。
理論預測了受限於材料邊緣的電子行為的漲落模式，而振蕩的高度和頻率全都符合預測。
圖片來源：Pixabay
學界很久前就知道，超導性的產生是因為通常情況下隨機運動的電子兩兩結合，形成庫珀對（Cooper pair），從某種意義上說就像踩著相同節拍起舞。Nai-Phuan Ong解釋說：“粗略地打個比方，就像十幾億對情侶集體同時嚴格遵循編排好的舞蹈動作跳舞。”
而電子遵循的“劇本”被稱為超導體波函數，大致來講就像一根沿著超導線延伸的絲帶，Ong繼續介紹。波函數的輕微扭轉迫使長線中的所有庫珀對以相同的速度移動，就像“超流體”一樣，換句話說，它們不再單獨行動，而是表現得就像一個集體，這樣的流動不會產生熱量。
Ong說，如果波函數沒有扭轉，那麽庫珀對就保持靜止，沒有電流流動。如果給超導體施加一個弱磁場，這就給扭轉添加了一個額外的作用，研究人員稱之為磁通量。對像電子這麽小的粒子來說，磁通量遵循量子力學法則。
研究人員預計，超流體的速度和磁通量，這兩個導致扭轉的因素共同作用，能讓扭轉數精確保持為整數，比如2、3或者4，而不是3.2或者3.7。他們預測，隨著磁通量平穩增加，超流體的流速會呈鋸齒狀增加，因為它在不斷進行調整，以抵消額外的0.2或者增加0.3，使扭轉數保持為整數。
團隊一邊改變磁通量，一邊測量超流體，發現確實存在可見的齒狀模式。
在二碲化鉬和其他外爾半金屬（Weyl semimetal）內，體塊中的電子庫珀配對似乎誘導了邊緣上類似的配對現象。
研究人員指出，目前他們還不太了解為什麽邊緣處的超電流獨立於體塊內的超電流。集體移動的電子也被稱作凝聚體（condensate），Nai-Phuan Ong將其比喻為水坑。
“從經典預期來看，人們期望兩個直接接觸的水坑會合並成一個。”他講道，“但實驗表明，邊緣凝聚體始終與晶體體塊保持差異。”
研究團隊推測，防止兩種凝聚體混合的機製是從二碲化鉬邊緣保護態繼承而來的拓撲保護。團隊希望將同樣的實驗技術應用到其他非常規超導體上，以尋找其中的邊緣超電流。
“可能存在很多這樣的材料。”Nai-Phuan Ong說。
翻譯：阿金
編輯：戚譯引
引進來源：普林斯頓大學
引進鏈接：https://science.sciencemag.org/content/368/6490/534
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圖片來源：Stephan Kim, Princeton University
普林斯頓大學實驗室探測到了一個物理學家們長期尋找的現象。一支物理學家團隊在一種超導材料上檢測到了沿著其外部邊緣存在的超導電流，這是一種流動過程中沒有能量損耗的電子流。該發現發表在《科學》雜誌上。
該研究使用的超導體同時也是一種拓撲半金屬，這種材料擁有不同尋常的電子學特性。該發現揭示了解鎖“拓撲超導性”新領域的方法，對量子計算具有重大意義。
普林斯頓大學物理學教授、研究資深作者Nai-Phuan Ong說：“據我們所知，這是首次在任何超導體中觀測到邊緣態超導電流。”
“我們的研究動機，是了解當材料內部不是絕緣體而是超導體會發生什麽，”Nai-Phuan Ong說，“以及當超導發生在拓撲材料內部會出現怎樣的新特征。”
常規的超導體早已廣泛應用在磁共振成像（MRI）和遠距離傳輸線路中，但新的超導性質可能釋放超越我們熟悉的技術限製的能力。
普林斯頓大學和其他機構的研究人員一直在探索超導性和拓撲絕緣體之間的聯係，這是一種擁有非典型電子行為的材料。2016年，普林斯頓大學物理學教授F.Duncan Haldane因為這方麵研究獲得了諾貝爾物理學獎。
圖片來源：Pixabay
拓撲絕緣體是一類晶體，擁有絕緣的內部和導電的表麵，就像包裹在錫紙中的布朗尼蛋糕。在導電材料中，電子可以從一個原子跳到另一個原子，從而使得電流流動。而絕緣材料中的電子被卡住，因此無法移動。但奇怪的是，拓撲絕緣體允許電子在其表麵運動，而在內部則不行。
為了探索拓撲材料的超導性，研究人員使用了稱為二碲化鉬（molybdenum ditelluride）的晶體材料，這種材料具有拓撲特性，並且當溫度下降到100毫開爾文以下，它就變成了超導體。
“目前為止，學界所做的大部分實驗都嚐試通過將一種材料靠近另一種材料，從而把超導性‘注入’拓撲材料中。”電子工程學研究生Stephan Kim說，他進行過很多這樣的實驗。他繼續說：“我們這次測量的不同之處在於，我們沒有注入超導性，但卻成功讓材料顯示出邊緣態（edge state）的特征。”
團隊首先在實驗室中生長晶體，然後將晶體冷卻至產生超導性的溫度。接下來，他們施加了一個弱磁場，同時測量通過晶體的電流。他們觀察到，隨著磁場的增強，一種稱為臨界電流的量會出現振蕩，表現為鋸齒狀。
理論預測了受限於材料邊緣的電子行為的漲落模式，而振蕩的高度和頻率全都符合預測。
圖片來源：Pixabay
學界很久前就知道，超導性的產生是因為通常情況下隨機運動的電子兩兩結合，形成庫珀對（Cooper pair），從某種意義上說就像踩著相同節拍起舞。Nai-Phuan Ong解釋說：“粗略地打個比方，就像十幾億對情侶集體同時嚴格遵循編排好的舞蹈動作跳舞。”
而電子遵循的“劇本”被稱為超導體波函數，大致來講就像一根沿著超導線延伸的絲帶，Ong繼續介紹。波函數的輕微扭轉迫使長線中的所有庫珀對以相同的速度移動，就像“超流體”一樣，換句話說，它們不再單獨行動，而是表現得就像一個集體，這樣的流動不會產生熱量。
Ong說，如果波函數沒有扭轉，那麽庫珀對就保持靜止，沒有電流流動。如果給超導體施加一個弱磁場，這就給扭轉添加了一個額外的作用，研究人員稱之為磁通量。對像電子這麽小的粒子來說，磁通量遵循量子力學法則。
研究人員預計，超流體的速度和磁通量，這兩個導致扭轉的因素共同作用，能讓扭轉數精確保持為整數，比如2、3或者4，而不是3.2或者3.7。他們預測，隨著磁通量平穩增加，超流體的流速會呈鋸齒狀增加，因為它在不斷進行調整，以抵消額外的0.2或者增加0.3，使扭轉數保持為整數。
團隊一邊改變磁通量，一邊測量超流體，發現確實存在可見的齒狀模式。
在二碲化鉬和其他外爾半金屬（Weyl semimetal）內，體塊中的電子庫珀配對似乎誘導了邊緣上類似的配對現象。
研究人員指出，目前他們還不太了解為什麽邊緣處的超電流獨立於體塊內的超電流。集體移動的電子也被稱作凝聚體（condensate），Nai-Phuan Ong將其比喻為水坑。
“從經典預期來看，人們期望兩個直接接觸的水坑會合並成一個。”他講道，“但實驗表明，邊緣凝聚體始終與晶體體塊保持差異。”
研究團隊推測，防止兩種凝聚體混合的機製是從二碲化鉬邊緣保護態繼承而來的拓撲保護。團隊希望將同樣的實驗技術應用到其他非常規超導體上，以尋找其中的邊緣超電流。
“可能存在很多這樣的材料。”Nai-Phuan Ong說。
翻譯：阿金
編輯：戚譯引
引進來源：普林斯頓大學
引進鏈接：https://science.sciencemag.org/content/368/6490/534
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