微小扭曲超导体的令人兴奋的可能性

运输能源是昂贵的。当电流流过导电材料时，由于材料中的粒子相互作用而产生的阻力，部分能量会损失——只需注意手机或笔记本电脑发出的热量即可。这种能量损失是许多技术进步的障碍，科学家们正在寻找制造消除电阻的超导体的方法。

如果具有拓扑特性，超导体还可以为容错量子计算提供平台。后者的一个例子是量子霍尔效应，其中电子的拓扑结构导致普遍的、“量化的”电阻，精度高达十亿分之一，这在气象学中得到了应用。不幸的是，量子霍尔效应需要极强的磁场，这通常不利于超导性。这使得寻找拓扑超导体成为一项具有挑战性的任务。

在PhysicalReviewLetters和PhysicalReviewB的两篇新论文中，康涅狄格大学物理学家PavelVolkov和他的同事提出了如何在非常薄的普通超导体层中通过实验操纵量子粒子(称为准粒子)，通过轻微扭曲堆叠层来创建拓扑超导体。

Volkov解释说，通过将二维材料层堆叠在一起来设计材料的方法进行了大量研究：

“最著名的是，这是用石墨烯完成的。以特定方式堆叠两个石墨烯层会产生许多有趣的新现象。有些与高温超导体中的现象相似，这是出乎意料的，因为石墨烯本身并不是超导的。“

当材料在没有任何电阻或能量损失的情况下传导电流时，就会发生超导性。由于电阻是许多技术的挑战，超导材料有可能彻底改变我们做事的方式，从能量传输到量子计算再到更高效的MRI机器。

然而，沃尔科夫说，赋予超导体拓扑特性具有挑战性，并且截至目前，还没有能够可靠地充当拓扑超导体的材料。

研究人员推测，扭曲的超导体层内部发生的事情与施加在它们之间的电流之间存在着复杂的关系。沃尔科夫说，电流的应用使超导体中的准粒子表现得就像它们在拓扑超导体中一样。

“扭曲本质上决定了特性，有趣的是，它给了你一些非常意想不到的特性。我们考虑将扭曲应用于具有特殊超导形式(称为节点超导性)的材料，”沃尔科夫说。

“对我们来说幸运的是，存在这样的超导体，例如，铜酸盐高温超导体是节点超导体。我们声称，如果在这种超导体的两个扭曲层之间施加电流，它就会变成拓扑超导体。”

Volkov解释说，电流诱导拓扑超导性的提议原则上适用于任何扭转角，并且有广泛的角度可以优化特性，这与迄今为止研究的其他材料不同。

“这很重要，因为，例如，在扭曲的双层石墨烯中，观察有趣的新现象需要将两层对齐到1.1度，0.1度的偏差是非常有害的。这意味着需要制作大量样品在找到一个可行的方法之前。对于我们的建议，这个问题不会那么糟糕。即使你错过了一个角度，也不会破坏我们预测的效果。”

沃尔科夫预计，这种拓扑超导体有可能比目前市场上的任何其他产品都更好。尽管需要注意的是，他们并不确切知道最终材料的参数是什么，但他们的估计可能对原理实验证明有用。

研究人员还发现扭曲角的特殊值会出现意想不到的行为。

“我们找到了一个特定的角度值，即所谓的‘魔角’，一个新的状态应该出现在这个角度——一种磁性形式。通常情况下，磁性和超导性是对立的现象，但在这里，超导性会产生磁性，而这恰恰发生了因为层的扭曲结构。”沃尔科夫说。

通过实验证明这些预测将带来更多需要克服的挑战，包括使原子厚的层本身变得更好，并确定难以测量的参数，但沃尔科夫说，开发这些高度复杂的材料背后有很多动机。

“基本上，到目前为止的主要问题是候选材料很难处理。世界上有几个小组正在尝试这样做。我们的建议所必需的单层节点超导体已经实现，并且对扭曲薄片进行实验正在进行中。然而，这些材料的扭曲双层尚未得到证明。这是未来的工作。”

沃尔科夫说，这些材料有望改善我们日常生活中使用的材料。已经在使用的利用拓扑状态的东西包括用于设置高精度电阻标准的设备。拓扑超导体在量子计算中也可能有用，因为它们是提出容错量子比特(量子计算中的信息单位)提案的必要成分。沃尔科夫还强调了拓扑材料对精密物理学的承诺，

“拓扑状态很有用，因为它们使我们能够对材料进行精确测量。拓扑超导体可能使我们能够以前所未有的精度对自旋(电子的磁矩)或热特性进行此类测量。”