超導(dǎo)體和尖銳金屬尖端原子之間的安德烈夫反射示意圖。

圖片來源：阿爾托大學(xué)/何塞·拉多 

超導(dǎo)是由稱為庫珀對的特殊連接的電子對引起的。到目前為止，庫珀對的出現(xiàn)已被宏觀地間接測量，但芬蘭阿爾托大學(xué)和美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室研究人員開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)能以原子精度檢測它們的出現(xiàn)。相關(guān)研究發(fā)表在最新一期《納米快報(bào)》雜志上。

電子可通過量子隧道穿越能壘，以經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的方式通過空間，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)與另一個(gè)電子配對，它可形成進(jìn)入超導(dǎo)體的庫珀對，同時(shí)在一個(gè)稱為安德烈夫的過程中將另一種粒子“反沖”到金屬中反射。

研究人員通過尋找這些安德烈夫反射來檢測庫珀對。為此，他們測量了原子級尖銳金屬尖端和超導(dǎo)體之間的電流，以及電流與尖端和超導(dǎo)體之間分離的關(guān)系。這使他們能檢測返回到超導(dǎo)體的安德烈夫反射量，同時(shí)保持與單個(gè)原子相當(dāng)?shù)某上穹直媛省?shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合理論模型。

這種在原子尺度上對庫珀對的實(shí)驗(yàn)檢測，為理解量子材料提供了一種全新的方法。研究人員第一次可獨(dú)特地確定庫珀對的波函數(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)和其他障礙物相互作用。

這將使研究人員能解決量子材料中的各種開放問題。其中，“非常規(guī)超導(dǎo)體”是量子計(jì)算機(jī)的潛在基礎(chǔ)構(gòu)件，可提供在室溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的平臺，而庫珀對在“非常規(guī)超導(dǎo)體”中具有獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

新發(fā)現(xiàn)允許研究人員直接探測“非常規(guī)超導(dǎo)體”中庫珀對的狀態(tài)。它代表對量子材料的理解向前邁出重要一步，并有助于推動量子技術(shù)的開發(fā)。

【總編輯圈點(diǎn)】

庫珀，安德烈夫，奇特的物理現(xiàn)象，陌生的人名，讓這研究對普通人來說更多了點(diǎn)理解障礙。還好，超導(dǎo)體，我們并不陌生。它電阻接近零，但通常需要在極低溫度下展現(xiàn)這種特性。庫珀對是描述低溫下一對電子（或其他費(fèi)米子）以某種方式束縛在一起的理論。迄今為止，庫珀對的出現(xiàn)是通過宏觀方式間接測量的，本文介紹的方法，能以原子級的精度檢測它們的出現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)使研究人員能夠直接探測非常規(guī)超導(dǎo)體中庫珀對的狀態(tài)，大大增進(jìn)科學(xué)界對量子材料的理解。