纳米材料缘何失去超导性？物理学家终于找到原因学术资讯

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▲“破对”理论的图解。在一根半径为10纳米线内，电子在低温(绿色)下可以配对，并在超导相中从一个接触点移动到另一个接触点，没有阻力。在磁场穿透导线的情况下，电子对会向相反的方向(粉色和蓝色)偏转，并可能与导线的边缘发生碰撞并断裂。随着电场强度的增加，所有电子对都断裂了，纳米线经历了从超导体到普通金属的相变。

研究相变，需要对物质加热并观察它的性质如何变化。

现在，想象你能把所有的东西都冷却到很低的温度——以至于所有的热效应都消失了。这就是所谓的量子领域，在这里，压力和磁场会在一种叫做量子相变(QPT)的现象中引发新的相位。QPT不只是从一个状态简单地过渡到另一个状态，它还在某些材料中形成了全新的性质，如超导性。

科学家在30年前就发现了超导现象，但超导的机理仍然是个谜，因为大多数材料太复杂，无法深入了解。

现在，美国犹他大学的物理学家和合作者们已经发现，由MoGe合金制成的超导纳米线在低温并处于递增磁场中时，会经历从超导到正常金属状态的量子相变。这项研究首次揭示了材料失去超导性的微观过程——磁场会把名为库珀对的电子对分开，这些电子对会与其他的库珀对相互作用，并遭遇到系统中出现的来自于未成对电子的阻尼力。

美国佛蒙特大学副教授Adrian Del Maestro提出的理论充分解释了这一发现。该理论正确地描述了超导性的演化如何依赖于临界温度、磁场大小和方向、纳米线截面面积以及纳米线材料的微观特征。这是超导领域中首次在实验室的真实物体上证实了理论QPT的所有细节。

该研究于2018年7月9日在《自然物理》杂志上发表。

凝聚态物理学家通过两种方式研究材料的变化——实验物理学家开发材料在实验室进行测试，理论物理学家开发数学方程来理解物理行为。

文章的高级作者、犹他大学的助理教授 Andrey Rogachev演示了低温下对纳米线施加磁场会扭转其超导性。他能够理解这个物理现象，但无法解释在“临界点”时是什么导致了超导性消失。然而，这项工作启发了年轻的理论物理学家、当时还是哈佛大学研究生的Adrian Del Maestro，后者提出了一个关于量子相变的完整理论。

在Del Maestro的“断对”理论中，单电子不太可能撞到最小金属丝的边缘，因为即使是一根原子链也比一个电子大。但形成超导电子对的两个电子可以相距很远，而现在纳米尺寸的导线使得它们更难一起运动。如果再加上一个强大的磁场，它能解开电子对，因此“电子无法形成超导状态”。

“在描述电子在量子相变中的突现特性时，只有几个关键要素——空间维度和超导性的存在——是必不可少的。” Del Maestro解释道。

验证Maestro的理论需要直径小于20-30nm的一维纳米线，因此MoGe合金纳米线是整个研究的关键元素。文章作者之一的Hyunjeong Kim为团队制造了宽度小于10nm的纳米线。

Rogachev将纳米线带到了格勒诺布尔的奈尔研究所，该所的设备能够将材料冷却到50 mK，施加不同强度的磁场并测量导线的电阻。通过理论和实验的结合，这个团队解释了电导率和几何、磁场和临界温度之间的复杂关系，同时提出了量子临界理论，这与实验观测非常吻合。

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编译：Coke 审稿：alone 编辑：程建兰

来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2018/07/180709111148.htm