安德烈耶夫在超導(dǎo)體和原子鋒利的金屬尖端之間的反射的插圖。圖片來(lái)源：阿爾托大學(xué)/何塞·拉多。

在發(fā)表在《納米快報(bào)》上的一項(xiàng)研究中，研究人員首次展示了一種新技術(shù)，可以以原子精度測(cè)量超導(dǎo)材料中的量子激發(fā)。檢測(cè)這些激發(fā)是了解奇異超導(dǎo)體的重要一步，這可以幫助我們改進(jìn)量子計(jì)算機(jī)，甚至可能為室溫超導(dǎo)體鋪平道路。

超導(dǎo)體是沒(méi)有任何電阻的材料，通常需要極低的溫度。它們被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，從醫(yī)療應(yīng)用到量子計(jì)算機(jī)的核心角色。超導(dǎo)性是由稱(chēng)為庫(kù)珀對(duì)的特殊連接的電子對(duì)引起的。到目前為止，庫(kù)珀對(duì)的發(fā)生已經(jīng)間接宏觀地批量測(cè)量，但美國(guó)阿爾托大學(xué)和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)可以原子精確地檢測(cè)它們的發(fā)生。

這些實(shí)驗(yàn)由橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Wonhee Ko和Petro Maksymovych在阿爾托大學(xué)的Jose Lado教授的理論支持下進(jìn)行。電子可以“量子隧道”跨越能量勢(shì)壘，以經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋的方式從一個(gè)系統(tǒng)跳到另一個(gè)系統(tǒng)。例如，如果一個(gè)電子在金屬和超導(dǎo)體相遇的點(diǎn)上與另一個(gè)電子配對(duì)，它可以形成一個(gè)進(jìn)入超導(dǎo)體的庫(kù)珀對(duì)，同時(shí)也在稱(chēng)為安德烈耶夫反射的過(guò)程中將另一種粒子“踢回”到金屬中。研究人員尋找這些安德烈耶夫反射來(lái)檢測(cè)庫(kù)珀對(duì)。

為此，他們測(cè)量了原子鋒利的金屬尖端和超導(dǎo)體之間的電流，以及電流如何依賴(lài)于尖端和超導(dǎo)體之間的分離。這使他們能夠檢測(cè)返回超導(dǎo)體的安德烈耶夫反射量，同時(shí)保持與單個(gè)原子相當(dāng)?shù)某上穹直媛?。?shí)驗(yàn)結(jié)果與拉多的理論模型完全吻合。

這種在原子尺度上對(duì)庫(kù)珀對(duì)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)為理解量子材料提供了一種全新的方法。這是第一次，研究人員可以獨(dú)特地確定庫(kù)珀對(duì)的波函數(shù)如何在原子尺度上重建，以及它們?nèi)绾闻c原子尺度的雜質(zhì)和其他障礙相互作用。

“這項(xiàng)技術(shù)為理解被稱(chēng)為非常規(guī)超導(dǎo)體的奇異類(lèi)型的超導(dǎo)體的內(nèi)部量子結(jié)構(gòu)建立了一種關(guān)鍵的新方法，可能使我們能夠解決量子材料中的各種開(kāi)放問(wèn)題，”Lado說(shuō)。非常規(guī)超導(dǎo)體是量子計(jì)算機(jī)的潛在基本組成部分，可以提供在室溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性的平臺(tái)。庫(kù)珀對(duì)在非常規(guī)超導(dǎo)體中具有獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，到目前為止，這一直難以理解。

這一發(fā)現(xiàn)允許直接探測(cè)非常規(guī)超導(dǎo)體中庫(kù)珀對(duì)的狀態(tài)，為整個(gè)量子材料家族建立了一種關(guān)鍵的新技術(shù)。它代表了我們對(duì)量子材料理解的重要一步，有助于推動(dòng)量子技術(shù)的發(fā)展工作。

更多信息：Wonhee Ko等人，非接觸安德烈耶夫反射作為原子尺度上超導(dǎo)性的直接探針，納米字母（2022）。DOI： 10.1021/acs.nanolett.2c00697

期刊信息：納米快報(bào)