原子尺度的超导窗口为发展先进新量子材料铺平道路

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超导体是没有任何电阻的材料，通常要达到目标特性需要极低的温度。它们被用于广泛的领域，从医疗应用到量子计算机中的核心作用。超导性是由被称为库珀对的特别链接的电子对引起的。到目前为止，库珀对的出现是通过宏观方式间接测量的，但阿尔托大学和美国橡树岭国家实验室的研究人员开发的一项新技术可以以原子级的精度检测它们的出现。


实验是由橡树岭国家实验室的Wonhee Ko和Petro Maksymovych在阿尔托大学的Jose Lado教授的理论支持下进行的。电子可以通过量子隧道跨越能量障碍，以一种无法用经典物理学解释的方式从一个系统跳到另一个系统的空间。例如，如果一个电子与另一个电子在金属和超导体的交界处配对，它可以形成一个进入超导体的库珀对，同时也将另一种粒子"踢回"金属，这个过程被称为安德烈夫反射。研究人员通过寻找这些安德烈夫反射来检测库珀对。

                               
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为了做到这一点，他们测量了一个原子般锋利的金属尖端和一个超导体之间的电流，以及电流如何取决于尖端和超导体之间的间隔。这使他们能够检测到返回超导体的安德烈夫反射量，同时保持与单个原子相当的成像分辨率。实验的结果与拉多的理论模型完全一致。


这种在原子尺度上对库珀对的实验检测为理解量子材料提供了一种全新的方法。研究人员首次能够独特地确定库珀对的波函数在原子尺度上是如何重建的，以及它们与原子尺度的杂质和其他障碍物是如何相互作用的。


这项技术为了解被称为非常规超导体的外来类型的内部量子结构建立了一种关键的新方法，有可能让我们解决量子材料中的各种公开问题。非常规超导体是量子计算机的一个潜在的基本构件，可以提供一个在室温下实现超导的平台。库珀对在非常规超导体中具有独特的内部结构，到目前为止，理解这些结构是非常困难的。


这一发现使研究人员能够直接探测非常规超导体中库珀对的状态，为整个量子材料家族建立了一种关键的新技术。它代表着科学界对量子材料的理解向前迈进了一大步，并有助于推动开发量子技术的工作。


——本文来自电子工程世界

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