田納西大學(xué)的物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)，發(fā)現(xiàn)硅 - 即將成為萬億美元電子行業(yè)的支柱 - 可以承載一種新穎形式的超導(dǎo)性，可以使迅速出現(xiàn)的量子技術(shù)更接近工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。

這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在Nature Physics上，涉及電子盜竊，時(shí)間反轉(zhuǎn)和一點(diǎn)電子雙元性。

超導(dǎo)舞池中的情侶

超導(dǎo)體在沒有電阻或能量耗散的情況下傳導(dǎo)電流。它們的用途范圍從粒子加速器和醫(yī)療MRI設(shè)備的強(qiáng)大電磁鐵到超靈敏的磁傳感器再到量子計(jì)算機(jī)。超導(dǎo)性是量子力學(xué)在宏觀尺度上運(yùn)作的壯觀展示。這一切都?xì)w結(jié)為電子。

電子帶負(fù)電并在真空中相互排斥。然而，在固態(tài)介質(zhì)(金屬和半導(dǎo)體領(lǐng)域)中，大約有1023其他電子和正離子使圖片變得非常復(fù)雜。在超導(dǎo)體中，傳導(dǎo)電子克服了它們的相互排斥，并通過與其他粒子的相互作用相互吸引。這種相互作用使它們像舞會(huì)上的舞者一樣配對(duì)，形成復(fù)合粒子，或“庫珀對(duì)”(以諾貝爾獎(jiǎng)獲得者萊昂·庫珀的名字命名)。

通常，引起這種配對(duì)的“膠水”來自金屬中的原子振動(dòng)，但前提是電子不會(huì)太強(qiáng)烈地相互排斥。這個(gè)過程有點(diǎn)像兩個(gè)人(電子)在柔軟的床墊(介質(zhì))上，當(dāng)床墊在中心被壓縮時(shí)，它們相互滾動(dòng)。量子力學(xué)定律規(guī)定，庫珀對(duì)(與單個(gè)電子不同)都可以凝結(jié)成一個(gè)單一的相干量子態(tài)，在那里它們同步移動(dòng)。因此，冷凝水表現(xiàn)出剛性，允許電流不間斷或耗散地流動(dòng);換句話說：超導(dǎo)。這種機(jī)制導(dǎo)致傳統(tǒng)的(S波)超導(dǎo)體，如鋁，錫或鉛。

然而，當(dāng)電子之間的斥力很強(qiáng)時(shí)，它們以更高的角動(dòng)量狀態(tài)配對(duì)，這樣它們就不會(huì)靠得太近，從而產(chǎn)生例如d波超導(dǎo)體。由銅和氧(銅酸鹽)制成的材料就是這種情況，它在自然物理學(xué)研究及其未來潛力中起著重要作用。

竊取電子

在這項(xiàng)工作中，Hanno Weitering教授和Steve Johnston副教授以及他們?cè)诿绹?，西班牙和中國的同事通過在硅基底(基層)上生長三分之一的單層錫原子來復(fù)制類似銅酸鹽的物理學(xué)。把它想象成九個(gè)硅原子在一層中，三個(gè)錫原子 - 相距更遠(yuǎn) - 堆疊在頂部的另一層中。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使得錫電子之間的排斥力非常強(qiáng)，以至于它們無法移動(dòng)，也不會(huì)超導(dǎo)。

Weitering，Johnston和他們的同事發(fā)現(xiàn)了一種聰明的解決方法，即在硅層的類金剛石晶體結(jié)構(gòu)中植入硼原子。硼原子繼續(xù)從錫層(通常約為10%)竊取電子，其過程類似于半導(dǎo)體工業(yè)完善的技術(shù)。這給了剩余的錫電子自由移動(dòng)。因此，錫層在臨界溫度下變得金屬甚至超導(dǎo)，超過了幾乎所有元素超導(dǎo)體的溫度。重要的是，這種現(xiàn)象還與硼原子或被盜電子的數(shù)量成比例，其行為讓人聯(lián)想到銅酸鹽超導(dǎo)體。

反轉(zhuǎn)時(shí)間和量子計(jì)算應(yīng)用

雖然基于電子盜竊的超導(dǎo)性本身很有趣，但研究小組發(fā)現(xiàn)了更有趣的物理學(xué)，表明這種錫硅材料具有手性超導(dǎo)性。這種高度奇特的物質(zhì)狀態(tài)受到大力追求，部分原因是它在量子計(jì)算方面的潛力。

在手性系統(tǒng)中，順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)是相同但又不同的——就像左手和右手是彼此的鏡像，不能疊加。在量子力學(xué)中，單個(gè)或成對(duì)電子的性質(zhì)被編碼在一個(gè)數(shù)學(xué)波函數(shù)中，該波函數(shù)可以是左手的，右手的，或者是“拓?fù)渖系奈⒉蛔愕赖?rdquo;。

錫層中的超導(dǎo)波函數(shù)在樣品的某些部分是順時(shí)針方向，在其他部分是逆時(shí)針方向。如果讓時(shí)鐘倒帶，順時(shí)針波函數(shù)會(huì)變成逆時(shí)針，反之亦然，但這兩個(gè)波函數(shù)還是不一樣的，就像左手和右手不同一樣;正如物理學(xué)家所說，時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性被打破了。

時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性破壞是手性超導(dǎo)的標(biāo)志。另一個(gè)是該系統(tǒng)有兩個(gè)一維傳導(dǎo)通道，它們像鐵軌一樣沿著樣品材料的周邊運(yùn)行。這些通道承載著奇異的粒子樣實(shí)體，在某些條件下，粒子及其反粒子變得無法區(qū)分。馬約拉納粒子受到拓?fù)浔Ｗo(hù)，不受周圍環(huán)境中發(fā)生的事情的影響。它們被設(shè)想為未來量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建塊，量子計(jì)算機(jī)是一種快速興起的技術(shù)，可以幫助解決對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)來說過于復(fù)雜的問題。使用馬約拉納粒子意味著防止退相干，這是量子計(jì)算成功的關(guān)鍵要求。

綜上所述，Nature Physics的結(jié)果表明，可以將奇特的特性與易于擴(kuò)展的硅基材料平臺(tái)相結(jié)合。因此，這將使未來的量子技術(shù)更接近工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。

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