物理学家揭示了为什么纳米材料会失去超导性

在夏季保持饮料冷饮的斗争是经典阶段过渡的一个教训。要研究相变，对物质施加热量并观察其性质如何变化。加热到水和所谓的“临界点”，观察它变成气体(蒸汽)。从水中移除热量并观察它变成固体(冰)。

现在，想象一下，你已经把所有东西都冷却到很低的温度 - 这么低，以至于所有的热效应都消失了。欢迎来到量子领域，压力和磁场在称为量子相变(QPT)的现象中引发新的阶段。QPT不仅仅是从一个相到另一个相的简单过渡，在某些材料中形成了全新的特性，例如超导性。

向超导金属施加电压，电子在没有电阻的情况下穿过材料; 电流将永远流动而不会减速或产生热量。一些金属在高温下变成超导，这在电力传输和基于超导体的数据处理中具有重要的应用。30年前科学家发现了这种现象，但超导机制仍然是一个谜，因为大多数材料太复杂，无法详细了解QPT物理。一个好的策略是首先考虑不那么复杂的模型系统。

现在，犹他大学的物理学家和合作者已经发现，当在低温下增加的磁场中时，由MoGe合金制成的超导纳米线经历从超导到正常金属状态的量子相变。该研究首次揭示了材料失去超导性的微观过程; 磁场破坏了称为Cooper对的电子对，它们与其他Cooper对相互作用并经历系统中存在的不成对电子的阻尼力。

佛蒙特大学副教授Adrian Del Maestro提出的批判理论充分解释了这一发现。该理论正确地描述了超导的演化如何取决于临界温度，磁场强度和取向，纳米线横截面积以及纳米线材料的微观特征。这是超导领域中第一次通过理论预测的QPT的所有细节都在实验室中的实际物体上得到证实。

“量子相变可能听起来很奇特，但它们在许多系统中被观察到，从恒星中心到原子核，从磁铁到绝缘体，”U的副教授，该研究的高级作者Andrey Rogachev说。 。“通过理解这个简单系统中的量子波动，我们可以讨论微观过程的每个细节，并将其应用于更复杂的物体。”

理论与实验相遇

凝聚态物理学家研究材料发生了什么，所有的热量都以两种方式去除 - 实验物理学家开发材料在实验室进行测试，而理论物理学家开发数学方程式来理解物理行为。这项研究讲述了理论和实验如何相互促进和激励的故事。

作为一名博士后研究员，罗加乔夫表示，在低温下对纳米线施加磁场会使超导性失真。他理解在有限温度下的效应，但对于在超导性衰退的“临界点”发生的情况却没有得出结论。然而，他的工作激发了当时哈佛大学研究生年轻理论物理学家阿德里安德尔梅斯特罗(Adrian Del Maestro)的发展，他开发了一个关于量子相变的完整批判理论。

在Del Maestro的“双断”理论中，单个电子不太可能碰到最小线的边缘，因为即使单个原子束与电子的大小相比也很大。但是，Del Maestro说，“形成负责超导性的对的两个电子可能相距很远，现在纳米尺寸的电线使它们更难以一起行进。” 然后添加一个强大的磁场，通过弯曲它们的路径解开对，“电子不能合谋形成超导状态，”Del Maestro说。

“想象一下，导线和磁场的边缘就像一些摩擦力，使电子不想配对，”Del Maestro说。“物理学应该是普遍的。” 这正是他的理论和新实验所表明的。

“在描述量子相变时电子的出现性质时，只有少数关键成分 - 空间维度和超导性的存在 - 是必不可少的，”他说。十年前预测的电导率值Del Maestro的理论与新实验中测量的值之间的惊人一致为“量子通用性的实验验证”提供了强有力的标准，Del Maestro说，“并强调了基础物理研究的重要性“。

最先进的纳米线

为了测试Del Maestro的理论，Rogachev需要几乎一维的纳米线，直径小于20-30纳米。

“在理论物理学中，一维系统起着非常特殊的作用，因为对于他们来说，可以开发出精确的理论，”罗加乔夫说。“然而，一维系统在实验上很难处理。”

MoGe纳米线是整个研究的关键要素。在他的博士后时代，罗加乔夫只能制造100纳米长的电线，太短而无法测试关键制度。多年后，他和他的当时学生Hyunjeong Kim(该研究的主要作者)对现有的电子束光刻方法进行了改进，以开发出最先进的技术。

百分之九十九的物理学家使用称为正电子束(电子束)光刻的方法创建纳米结构。它们将一束电子照射到电子敏感膜上，然后去除膜的暴露部分以产生所需的结构。更少的物理学家使用负电子束光刻，其中他们用电子束绘制它们的结构但是去除所有未曝光的胶片。这是Kim购买最先进的制造宽度低于10纳米的薄纳米线的方法。

“这不仅仅是我们制造它们，而是我们可以衡量它们，”罗加乔夫说。“许多人制作的是非常小的颗粒，但要真正能够看到这些导线上的传输，就像开发一种新技术一样。”

为了测试量子相变，Rogachev将电线带到了格勒诺布尔的研究所的BenjaminSacépé和FrédéricGay，他们的设施能够将材料冷却到50毫凯因，施加各种强度的磁场并测量电线的阻力来描述超导性如何破坏。法国合作者在该组中增加了多年精密传输测量，噪声抑制技术和二维超导体量子物理方面的专业知识。

“经过数十年的深入研究，我们还远未完全理解超导性”，美国国家科学基金会凝聚态物理项目主任Tomasz Durakiewicz说，该项目共同资助了这项工作。“这些结果通过紧密连接纳米线的有形物理世界和量子尺度上发生的场驱动相变来显着推进该领域。通过合并理论和实验，该团队能够解释电导率和几何之间的复杂关系，磁场和临界温度，同时提出了与实验观察非常一致的量子临界理论。“

将它带到更高的温度

罗加乔夫现在准备测试由铜酸盐制成的纳米线。铜酸盐在磁态和正常态之间具有量子相变，在临界点，存在量子涨落，根据几种理论，它们促进了超导性的出现。铜酸盐通常被称为高温超导体，因为它们在90-155K的创纪录高温下进入超导状态，与MoGe合金在3-7K的相当小的临界温度形成对比.Rogachev想制造从铜酸盐中导线，了解高温超导的微观机理。

他想与格勒诺布尔的合作者一起探索的另一条途径是超导薄膜的量子相变。

“现在我们已经解决了这个特定的物理问题，我们可以转向更复杂的对象，我们基本上不知道到底发生了什么，”他说。