近日，科學(xué)家在原子尺度上對(duì)超導(dǎo)體中庫(kù)珀對(duì)(Cooper pairs)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探測(cè)，為研究量子材料提供了一種全新方法，并有助于了解非常規(guī)超導(dǎo)體(unconventional superconductors)。

超導(dǎo)體與原子尺度下的金屬尖端之間的安德烈夫反射，圖片來自Jose Lado/阿爾托大學(xué)

自然界最迷人的量子現(xiàn)象之一是超導(dǎo)。當(dāng)超導(dǎo)材料冷卻到臨界溫度以下時(shí)，電阻為零，且具有完全抗磁性。在實(shí)驗(yàn)中，若導(dǎo)體電阻的測(cè)量值低于10的負(fù)25次方Ω（歐姆），可以認(rèn)為其電阻為零。

超導(dǎo)領(lǐng)域研究可追溯到一百多年前。1911年，荷蘭物理學(xué)家Heike Kamerlingh Onnes等人發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體汞在極低溫度下（絕對(duì)零度-273.15℃以上幾度），其電阻消失，呈現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)，即汞的超導(dǎo)特性。1933年，Walther Meissner和Robert Ochsenfeld兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的完全抗磁性，后稱為“邁斯納效應(yīng)”(Meissner effect)。

隨著超導(dǎo)領(lǐng)域研究日趨深入，具有前述特性的超導(dǎo)體廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，包括磁懸浮、磁共振成像(MRI)、核磁共振(NMR)、粒子加速器、粒子探測(cè)器、電力傳輸、制造量子計(jì)算機(jī)等。

超導(dǎo)體作為一種電阻為零的材料，通常需要極低溫度。超導(dǎo)性由被稱為庫(kù)珀對(duì)的特殊連接電子對(duì)引起。庫(kù)珀對(duì)是美國(guó)物理學(xué)家Leon Cooper于1956年首次提出，描述低溫下一對(duì)電子（或其他費(fèi)米子）以某種方式束縛在一起的理論。在低溫超導(dǎo)體中，電子并不是單個(gè)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而是以弱耦合形式形成配對(duì)，即庫(kù)珀對(duì)。形成庫(kù)珀對(duì)的兩個(gè)電子，一個(gè)自旋向上，另一個(gè)自旋向下。

此前，庫(kù)珀對(duì)的存在已經(jīng)多次通過宏觀方式間接測(cè)量。但現(xiàn)在，由芬蘭阿爾托大學(xué)和美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)能夠以原子精度檢測(cè)它們的存在。相關(guān)成果發(fā)表在《納米快報(bào)》(Nano Letters)。

美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Wonhee Ko和Petro Maksymovych在阿爾托大學(xué)教授Jose Lado理論支持下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

電子可以通過量子隧道穿越能量勢(shì)壘，在空間中從一個(gè)系統(tǒng)跳到另一個(gè)系統(tǒng)，這是經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的一種現(xiàn)象。例如，如果一個(gè)入射電子恰好在金屬(N)和超導(dǎo)體(S)的交界處與另一個(gè)電子(e)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)會(huì)在金屬中形成與之前入射電子自旋相反的空穴(hole)，如圖所示。這一過程被稱為安德烈夫反射(Andreev reflection)，由俄國(guó)物理學(xué)家Alexander F. Andreev首次發(fā)現(xiàn)。

安德烈夫反射示意圖

前述研究人員通過安德烈夫反射來檢測(cè)庫(kù)珀對(duì)。他們測(cè)量了原子尺度下的金屬尖端和超導(dǎo)體之間的電流，以及電流如何存在于尖端和超導(dǎo)體之間。這使他們能夠探測(cè)到返回超導(dǎo)體的安德烈夫反射量，同時(shí)保持與單原子相當(dāng)?shù)某上穹直媛?。?shí)驗(yàn)結(jié)果與Lado提出的理論模型完全吻合。

前述科學(xué)家在原子尺度上對(duì)庫(kù)珀對(duì)的實(shí)驗(yàn)探測(cè)，為探索量子材料提供了全新方法。研究人員首次能夠確定庫(kù)珀對(duì)的波函數(shù)在原子尺度上是如何重構(gòu)的，以及庫(kù)珀對(duì)與原子尺度的雜質(zhì)和其他障礙物之間是如何相互作用的。

圖片來自論文

“這項(xiàng)技術(shù)建立了一種重要的新方法，用于研究被稱為非常規(guī)超導(dǎo)體的一種奇特類型超導(dǎo)體內(nèi)部的量子結(jié)構(gòu)，有可能讓我們解決量子材料中的各種開放性問題?！卑柾写髮W(xué)教授Lado說道。

非常規(guī)超導(dǎo)體是量子計(jì)算機(jī)的潛在基本構(gòu)件，可以提供在室溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的平臺(tái)。在非常規(guī)超導(dǎo)體中，庫(kù)珀對(duì)具有獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。前述研究可以直接探測(cè)到非常規(guī)超導(dǎo)體中庫(kù)珀對(duì)的狀態(tài)，有助于探索和了解量子材料，推動(dòng)開發(fā)量子技術(shù)。