超導變絕緣？量子缺陷有妙用

材料牛注：我們都知道材料中的缺陷往往改變材料的硬度、韌性等各項性能，使其更具備實用特性。但你們聽說過超導材料中的量子缺陷能將這種材料變成絕緣體嗎？還不來一睹為快？

新的研究發現表明，超導材料中的納米缺陷能與弱磁場相互作用，阻礙超導電子的傳播。這樣，超導材料就變得絕緣了。這一成果在之前有理論證明，此次，科學家們第一次用實驗方式予以證實。

日前，布朗大學的科學家發現了一種限制超導體材料導電性能的方法。超導，電流通過時電阻為零。

研究表明，比通常用來干擾超導材料性能弱得多的磁場可以與材料內部的缺陷相互作用，產生“隨機規范場區域”，這是一種能夠對超導電子起到阻抗作用的量子障礙物。

布朗大學物理系教授兼該研究工作的領導者，Jim Valles說：“我們用一種前人從未用過的方法對超導性進行干擾。這種相變以及隨機規范場已經通過理論預測出結果，但我們第一次將它應用于實驗中。”

這一研究成果發表于期刊Scientific Reports。

超導態的產生依賴于“庫珀對”的生成和擴散，它能夠在低溫下耦合電子，性能更像是一種波而非粒子。它的波性能讓其能夠輕松通過材料內部結構而不受原子核的阻礙，從而將其阻抗減小至零。“庫珀對”取名自利昂?庫珀，布朗大學物理學家，1972年諾貝爾物理學獎得主之一。電子對之間的作用力并不很強，溫度小幅上升或臨界值（不同材料略有不同）以上的磁場的存在，都有可能破壞這一電子對結構，反過來破壞超導態。但Valles及其同事發現了一種截然不同的方法來破壞超導態。除了破壞“庫珀對”外，他們想看看有沒有破壞這種電子對傳播途徑的方法。

當材料呈現超導態時，庫珀對的傳播呈現協調性，這意味著量子波的峰值和低谷相互關聯。如果將這種協調性打破，就能將這種波傳播方式所帶來的超導態打破，從而將材料變成絕緣體。

為了更直觀地感受這一現象，Valles及其同事制備了一小塊由無定型鉍制成的超導芯片。這一芯片內部的納米孔隙無規則排列，呈重復蜂窩狀結構。他們將一個弱磁場施加到這一芯片上。正常情況下，超導體將反抗任何一個小于臨界值的磁場并保持超導。但金屬鉍中的缺陷導致材料對磁場的反抗與往常不同：它在每一個孔隙附近形成了小的電流漩渦。

為了讓庫珀對具備超導特性，這些漩渦形成一個難以通過的量子障礙物。這些電流漩渦對庫珀對的波陣面起著推動或拉伸的作用，導致這些波互相變為異相。

Valles說：“我們嘗試去破壞波陣面的協調性。這樣庫珀對就被限制在一定的區域內而不能傳播，整個系統從超導變為絕緣。”

這一發現將啟發科學家們對超導材料基本特性的探索，尤其是材料缺陷對超導特性的影響。對這些材料作用原理的理解對其實際應用意義重大，比如需要依賴連續超導態工作的量子計算機。

Valles說：“我們想盡量讓這一材料保持更多的超導特性，但它們的雜質含量太多了。我們展示了超導材料中一種因磁場和缺陷而產生的隨機量子域對材料的影響。因而，這一工作對人們理解材料量子特性的短板有著啟發作用。”

Valles希望本文闡述的發現和成果有一天能推動著科技的巨大進步。

Valles說：“我們可以直接模型化這種移相，以便我們正確理解量子相變。從某種意義上說，我們找到了改變材料特性和它們工作機理的鑰匙。”

原文鏈接：Quantum obstacle course changes material from superconductor to insulator.

文獻鏈接：Driving a Superconductor to Insulator Transition with Random Gauge Fields.

本文由材料人編輯部楊樹提供素材，張文揚編譯，點我加入材料人編輯部。

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