物理学家：手性超导体的证据可以使量子计算更接近主流
实验 QPI 结果。ae) QPI 数据和处理程序。STM 图像 (V s = 0.1 V, I t = 0.1 nA) 的 (3–√×3–√)-Sn 表面 (p = 0.1)，有几个表面缺陷显示为黑点。b) T = 0.5 K 时对应的 dI/dV 图像。明亮的星状特征集中在面板 a 中的缺陷位置。c) 面板 b 的功率谱，在面板 d 中对称和旋转。随后抑制中心区域以增强高频特征，如面板 e 所示。fh 分别显示从 (3–√×3–√)-Sn 表面获得的 4、3 和 2 组 QPI 结果，p=0.1、0.08 和 0.06。每列显示在固定空间区域中获得的 QPI 图像，但具有不同的偏差，如左侧所示。测量温度标记在每列上方，并显示温度高于和低于 T c的数据. 中央花叶仅在样品处于超导状态且测量偏差在超导间隙内时出现（分别在 f、g 和 h 中的±1.5 mV、±2.2 mV 和±3.6 mV 内）。这些 QPI 图像由红色虚线矩形包围。图 f 显示了在 T=5 K （对于该样本略大于 Tc =4.7 K）或在 8 T B 场（H 2c =3 T）中在 0.5 K 获得的 QPI 结果。这些数据具有明显减少的花叶特征，这可能来自超导波动。在图 g 中，“0.5 K (c)*”数据是从具有间隙 Sn 吸附原子的样品中获得的 QPI 结果，沉积温度为 120 K。间隙 Sn 的存在显着增强了布里渊区中心的花叶特征。图片来源：自然物理学（2023 年）。DOI: 10.1038/s41567-022-01889-1
田纳西大学的物理学家领导的一个科学团队发现硅——即将成为价值万亿美元的电子产业的支柱——可以承载一种新型的超导性，可以使迅速兴起的量子技术更接近工业规模生产。
这些发现发表在《自然物理学》上，涉及电子盗窃、时间逆转和一点电子灵巧性。
超导舞池中的情侣
超导体在没有电阻或能量耗散的情况下传导电流。它们的用途范围从用于粒子加速器和医学 MRI 设备的强大电磁体到超灵敏磁传感器再到量子计算机。超导性是量子力学在宏观尺度上发挥作用的壮观展示。这一切都归结为电子。
电子带负电，在真空中相互排斥。然而，在固态介质（金属和半导体领域）中，大约有 10 23个其他电子和正离子，这使情况变得非常复杂。在超导体中，传导电子克服它们的相互排斥力并通过与其他粒子的相互作用而相互吸引。这种相互作用使它们像舞会上的舞者一样配对，形成复合粒子或“库珀对”（以诺贝尔奖获得者莱昂库珀的名字命名）。
通常，导致这种配对的“胶水”来自金属中的原子振动，但前提是电子之间的排斥力不会太强。这个过程有点像软床垫（介质）上的两个人（电子），当床垫在中心被压缩时，他们会向彼此滚动。量子力学定律规定，库珀对（与单个电子不同）都可以凝聚成一个单一的相干量子态，在那里它们步调一致地移动。结果，冷凝水表现出刚性，允许电流不间断或耗散地流动；换句话说：超导。这种机制导致了传统的（s 波）超导体，例如铝、锡或铅。
然而，当电子之间的排斥力很强时，它们会在更高的角动量状态下配对，这样它们就不会靠得太近，从而产生例如 d 波超导体。由铜和氧（铜酸盐）制成的材料就是这种情况，它在自然物理学研究及其未来潜力中发挥着重要作用。
偷电子
在这项工作中，Hanno Weitering 教授和副教授 Steve Johnston 以及他们在美国、西班牙和中国的同事通过在硅基板（基层）上生长三分之一的单层锡原子来复制类似铜酸盐的物理现象。可以把它想象成单层中的九个硅原子，三个锡原子——放置得更远——堆叠在顶部的另一层中。该系统的设计使得锡电子之间的排斥力非常强，以至于它们不能移动也不会超导。
Weitering、Johnston 和他们的同事通过在硅层的类金刚石晶体结构中植入硼原子，找到了一种巧妙的解决方法。硼原子开始从锡层窃取电子（通常约为 10%），其过程类似于半导体行业完善的技术。这使剩余的锡电子可以自由移动。锡层因此变得金属化，甚至在超过几乎所有元素超导体的临界温度下具有超导性。重要的是，这种现象还与硼原子或被盗电子的数量成比例，这种行为让人联想到铜酸盐超导体。
逆转时间和量子计算应用
虽然基于电子窃取的超导性本身很有趣，但研究团队发现了更有趣的物理学，表明这种锡硅材料具有手性超导性。这种高度奇异的物质状态受到大力追捧，部分原因是它在量子计算方面的潜力。
在手征系统中，顺时针和逆时针旋转既相同又不同——就像左手和右手是彼此的镜像，无法叠加。在量子力学中，单个或成对电子的特性被编码在一个数学波函数中，该波函数可以是左手、右手或“拓扑平凡的”。
结果表明，锡层中的超导波函数在部分样品中为顺时针方向，在其他部分为逆时针方向。如果让时钟倒转，顺时针的波函数会变成逆时针的，反之亦然，但这两个波函数仍然不同，就像左手和右手不同一样；正如物理学家所说，时间反演对称性被打破了。
时间反转对称性破缺是手性超导的标志。另一个是该系统有两个一维传导通道，它们像铁轨一样沿着样品材料的周边延伸。这些通道承载着奇异的类粒子实体，在某些条件下，粒子和它的反粒子变得无法区分。马约拉纳粒子在拓扑上受到保护，不受周围环境中发生的事情的影响。它们被设想为未来量子计算机的基石，这是一种迅速兴起的技术，可以帮助解决对于经典计算机而言过于复杂的问题。Majorana 粒子的使用意味着防止退相干，这是量子计算成功的关键要求。
总而言之，自然物理学的结果表明，有可能将奇异特性与易于扩展的硅基材料平台相结合。因此，这将使未来的量子技术更接近工业规模生产。
编辑：澜澜
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