超导变绝缘？量子缺陷有妙用

材料牛注：我们都知道材料中的缺陷往往改变材料的硬度、韧性等各项性能，使其更具备实用特性。但你们听说过超导材料中的量子缺陷能将这种材料变成绝缘体吗？还不来一睹为快？

新的研究发现表明，超导材料中的纳米缺陷能与弱磁场相互作用，阻碍超导电子的传播。这样，超导材料就变得绝缘了。这一成果在之前有理论证明，此次，科学家们第一次用实验方式予以证实。

日前，布朗大学的科学家发现了一种限制超导体材料导电性能的方法。超导，电流通过时电阻为零。

研究表明，比通常用来干扰超导材料性能弱得多的磁场可以与材料内部的缺陷相互作用，产生“随机规范场区域”，这是一种能够对超导电子起到阻抗作用的量子障碍物。

布朗大学物理系教授兼该研究工作的领导者，Jim Valles说：“我们用一种前人从未用过的方法对超导性进行干扰。这种相变以及随机规范场已经通过理论预测出结果，但我们第一次将它应用于实验中。”

这一研究成果发表于期刊Scientific Reports。

超导态的产生依赖于“库珀对”的生成和扩散，它能够在低温下耦合电子，性能更像是一种波而非粒子。它的波性能让其能够轻松通过材料内部结构而不受原子核的阻碍，从而将其阻抗减小至零。“库珀对”取名自利昂•库珀，布朗大学物理学家，1972年诺贝尔物理学奖得主之一。电子对之间的作用力并不很强，温度小幅上升或临界值（不同材料略有不同）以上的磁场的存在，都有可能破坏这一电子对结构，反过来破坏超导态。但Valles及其同事发现了一种截然不同的方法来破坏超导态。除了破坏“库珀对”外，他们想看看有没有破坏这种电子对传播途径的方法。

当材料呈现超导态时，库珀对的传播呈现协调性，这意味着量子波的峰值和低谷相互关联。如果将这种协调性打破，就能将这种波传播方式所带来的超导态打破，从而将材料变成绝缘体。

为了更直观地感受这一现象，Valles及其同事制备了一小块由无定型铋制成的超导芯片。这一芯片内部的纳米孔隙无规则排列，呈重复蜂窝状结构。他们将一个弱磁场施加到这一芯片上。正常情况下，超导体将反抗任何一个小于临界值的磁场并保持超导。但金属铋中的缺陷导致材料对磁场的反抗与往常不同：它在每一个孔隙附近形成了小的电流漩涡。

为了让库珀对具备超导特性，这些漩涡形成一个难以通过的量子障碍物。这些电流漩涡对库珀对的波阵面起着推动或拉伸的作用，导致这些波互相变为异相。

Valles说：“我们尝试去破坏波阵面的协调性。这样库珀对就被限制在一定的区域内而不能传播，整个系统从超导变为绝缘。”

这一发现将启发科学家们对超导材料基本特性的探索，尤其是材料缺陷对超导特性的影响。对这些材料作用原理的理解对其实际应用意义重大，比如需要依赖连续超导态工作的量子计算机。

Valles说：“我们想尽量让这一材料保持更多的超导特性，但它们的杂质含量太多了。我们展示了超导材料中一种因磁场和缺陷而产生的随机量子域对材料的影响。因而，这一工作对人们理解材料量子特性的短板有着启发作用。”

Valles希望本文阐述的发现和成果有一天能推动着科技的巨大进步。

Valles说：“我们可以直接模型化这种移相，以便我们正确理解量子相变。从某种意义上说，我们找到了改变材料特性和它们工作机理的钥匙。”

原文链接：Quantum obstacle course changes material from superconductor to insulator.

文献链接：Driving a Superconductor to Insulator Transition with Random Gauge Fields.

本文由材料人编辑部杨树提供素材，张文扬编译，点我加入材料人编辑部。

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