超導(dǎo)理論的驗(yàn)證庫(kù)珀對(duì)在Kagome金屬中呈現(xiàn)波狀分布

維爾茨堡物理學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的超導(dǎo)理論已在國(guó)際實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)表明，庫(kù)珀對(duì)在Kagome金屬中呈現(xiàn)波狀分布。這一發(fā)現(xiàn)將使超導(dǎo)二極管等新技術(shù)應(yīng)用成為可能。

大約15年來(lái)，Kagome材料以其星形結(jié)構(gòu)吸引著全球研究人員，這種結(jié)構(gòu)讓人聯(lián)想到日本的籃筐圖案。直到2018年，科學(xué)家才能夠在實(shí)驗(yàn)室中合成具有這種結(jié)構(gòu)的金屬化合物。

由于其獨(dú)特的晶體幾何形狀，Kagome金屬結(jié)合了獨(dú)特的電子、磁性和超導(dǎo)特性，使其在未來(lái)的量子技術(shù)中大有可為。

維爾茨堡-德累斯頓卓越集群ct.qmat—量子物質(zhì)的復(fù)雜性和拓?fù)鋵W(xué)的RonnyThomale教授、維爾茨堡大學(xué)(JMU)理論物理學(xué)系主任通過(guò)他早期的理論預(yù)測(cè)為此類材料提供了關(guān)鍵見(jiàn)解。

《自然》雜志發(fā)表的最新研究結(jié)果表明，這些材料可以制成新型電子元件，例如超導(dǎo)二極管。

Kagome超導(dǎo)體震撼科學(xué)界

在2023年2月16日發(fā)表在預(yù)印本服務(wù)器arXiv上的一篇論文中，Thomale教授的團(tuán)隊(duì)提出，Kagome金屬中可能表現(xiàn)出一種獨(dú)特的超導(dǎo)性，庫(kù)珀對(duì)以波浪狀分布在亞晶格內(nèi)。每個(gè)“星點(diǎn)”包含不同數(shù)量的庫(kù)珀對(duì)。該論文現(xiàn)已發(fā)表在《物理評(píng)論B》上。

如今，托馬勒的理論首次在國(guó)際實(shí)驗(yàn)中得到直接證實(shí)，引起全球轟動(dòng)。這推翻了早先關(guān)于卡戈米金屬只能存在均勻分布的庫(kù)珀對(duì)的假設(shè)。

庫(kù)珀對(duì)(以物理學(xué)家利昂·庫(kù)珀命名)是由電子對(duì)在極低溫度下形成的，對(duì)超導(dǎo)性至關(guān)重要。它們共同作用可以創(chuàng)造量子態(tài)，也可以無(wú)阻力地穿過(guò)Kagome超導(dǎo)體。

Thomale解釋道：“最初，我們對(duì)鉀釩銻(KV3Sb5)等Kagome金屬的研究集中于單個(gè)電子的量子效應(yīng)，這些電子雖然不具有超導(dǎo)性，但可以在材料中表現(xiàn)出波狀行為。”

“兩年前，我們通過(guò)檢測(cè)電荷密度波，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了我們關(guān)于電子行為的初步理論，之后我們?cè)噲D在超低溫下尋找額外的量子現(xiàn)象。這導(dǎo)致了Kagome超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。然而，全球?qū)agome材料的物理研究仍處于起步階段，”Thomale指出。

傳遞波動(dòng)

“量子物理學(xué)對(duì)密度對(duì)波現(xiàn)象很熟悉，這是超導(dǎo)凝聚態(tài)的一種特殊形式。我們從烹飪中都知道，當(dāng)蒸汽冷卻時(shí)，它會(huì)凝結(jié)成液體。

“類似的事情也發(fā)生在Kagome金屬中。在約-193°C的超低溫下，電子在材料中重新排列并以波的形式分布。自從發(fā)現(xiàn)電荷密度波以來(lái)，人們就知道這一點(diǎn)，”博士生HendrikHohmann解釋說(shuō)，他與同事MatteoDürrnagel一起為理論工作做出了重要貢獻(xiàn)。

“當(dāng)溫度降至-272°(幾乎絕對(duì)零度)時(shí)，電子會(huì)成對(duì)結(jié)合在一起。這些庫(kù)珀對(duì)會(huì)凝結(jié)成量子流體，并以波的形式在材料中傳播，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)電阻超導(dǎo)。因此，這種波狀分布會(huì)從電子傳輸?shù)綆?kù)珀對(duì)。”

之前對(duì)Kagome金屬的研究已經(jīng)證明了超導(dǎo)性和庫(kù)珀對(duì)的空間分布。令人驚訝的新發(fā)現(xiàn)是，這些庫(kù)珀對(duì)不僅可以均勻分布，還可以在原子亞晶格內(nèi)呈波浪狀分布，這種現(xiàn)象被稱為“亞晶格調(diào)制超導(dǎo)”。

Dürrnagel補(bǔ)充道：“KV3Sb5中對(duì)密度波的存在最終歸因于超導(dǎo)溫度以上80°的波狀電子分布。這種量子效應(yīng)的結(jié)合具有巨大的潛力。”

ct.qmat研究人員目前正在尋找Kagome金屬，其中庫(kù)珀對(duì)表現(xiàn)出空間調(diào)制，而超導(dǎo)性之前不會(huì)出現(xiàn)電荷密度波。有希望的候選者已經(jīng)在研究中。

諾貝爾獎(jiǎng)得主約瑟夫森效應(yīng)帶來(lái)突破

該實(shí)驗(yàn)由中國(guó)深圳南方科技大學(xué)的尹家欣開(kāi)發(fā)，開(kāi)創(chuàng)性地直接探測(cè)了Kagome金屬中呈波浪狀分布的庫(kù)珀對(duì)。它利用了配備超導(dǎo)尖端的掃描隧道顯微鏡，能夠直接觀察庫(kù)珀對(duì)。

該尖端的設(shè)計(jì)以諾貝爾獎(jiǎng)得主約瑟夫森效應(yīng)為基礎(chǔ)，尖端末端為單個(gè)原子。超導(dǎo)電流在顯微鏡尖端和樣品之間通過(guò)，從而可以直接測(cè)量庫(kù)珀對(duì)的分布。

“目前的發(fā)現(xiàn)是邁向節(jié)能量子器件的又一個(gè)里程碑。雖然這些效應(yīng)目前只能在原子層面觀察到，但一旦Kagome超導(dǎo)性在宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)，新型超導(dǎo)元件將變得可行。這就是我們基礎(chǔ)研究的動(dòng)力，”Thomale教授表示。

前景

雖然世界上最長(zhǎng)的超導(dǎo)電纜已在慕尼黑鋪設(shè)完畢，但超導(dǎo)電子元件的研究仍在進(jìn)行中。第一個(gè)超導(dǎo)二極管已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)出來(lái)，但它們依賴于不同超導(dǎo)材料的組合。

相比之下，獨(dú)特的Kagome超導(dǎo)體具有庫(kù)珀對(duì)的固有空間調(diào)制，本身可充當(dāng)二極管，為超導(dǎo)電子學(xué)和無(wú)損電路提供了令人興奮的可能性。

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