研究人员发现量子行为的突然变化违背了当前的超导理论

普林斯顿大学的物理学家在试验可轻松转变为超导体的三原子薄绝缘体时发现了量子行为的突然变化。

这项研究有望增强我们对固体量子物理的理解，并推动量子凝聚态物理和超导性的研究走向潜在的新方向。研究结果最近发表在科学杂志《自然·物理学》上。

普林斯顿大学物理学助理教授吴三峰领导的研究人员发现，量子力学波动的突然停止(或“死亡”)表现出一系列独特的量子行为和性质，这些行为和性质似乎超出了既定理论的范围。

波动是处于相变边缘的材料热力学状态的暂时随机变化。相变的一个常见例子是冰融化成水。普林斯顿实验研究了超导体在接近绝对零的温度下发生的波动。

“通过直接观察过渡附近的量子涨落，我们发现了一种新的量子相变的明显证据，这种相变违反了该领域已知的标准理论描述，”吴说。“一旦我们理解了这种现象，我们就认为一种令人兴奋的新理论真正有可能出现。”

量子相和超导性

在物理世界中，当液体、气体或固体等材料从一种状态或形式转变为另一种状态或形式时，就会发生相变。但相变也发生在量子水平上。这些发生在接近绝对零(-273.15摄氏度)的温度下，并且涉及一些外部参数的连续调整，例如压力或磁场，而不升高温度。

研究人员对超导体(无电阻导电的材料)中如何发生量子相变特别感兴趣。超导体可以加速信息处理，并构成医疗保健和交通运输中使用的强力磁铁的基础。

“如何将超导相转变为另一个相是一个有趣的研究领域，”吴说。“我们对原子薄、清洁和单晶材料的这个问题感兴趣已经有一段时间了。”

当电子配对并一致流动而没有阻力且不耗散能量时，就会产生超导性。通常情况下，电子以不稳定的方式穿过电路和电线，相互碰撞，最终效率低下并浪费能量。但在超导状态下，电子以一种节能的方式协同作用。

超导性自1911年以来就为人所知，但直到1956年量子力学开始揭示这一现象之前，它的工作原理和原因在很大程度上仍然是个谜。但直到最近十年左右，人们才在干净的、原子级薄的二维材料中研究超导性。事实上，很长一段时间以来，人们认为超导在二维世界中是不可能的。

普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授、该论文的作者之一NaiPhuanOng表示：“这是因为，当你进入较低维度时，波动变得如此强烈，以至于‘杀死’了任何超导性的可能性。”

涨落破坏二维超导性的主要方式是所谓的量子涡旋的自发出现。每个漩涡都类似于一个微小的漩涡，由被困在旋转电子流内的微小磁场组成。当样品升高到一定温度以上时，涡流会自发地成对出现：涡流和反涡流。它们的快速运动破坏了超导状态。“漩涡就像漩涡，”翁说。“它们是排水浴缸时看到的涡流的量子版本。”

物理学家现在知道，超薄膜中的超导性确实存在于某个称为BKT转变的临界温度以下，该温度以凝聚态物理学家VadimBerezinskii、JohnKosterlitz和DavidThouless的名字命名。后两人与普林斯顿大学物理学家、谢尔曼·费尔柴尔德大学物理学教授F·邓肯·霍尔丹(F.DuncanHaldane)共同获得了2016年诺贝尔物理学奖。BKT理论被广泛认为成功地描述了量子涡旋如何在二维超导体中扩散并破坏超导性。该理论适用于通过加热样品引起超导转变的情况。

目前的实验

如何在不升高温度的情况下破坏二维超导性的问题是超导和相变领域的一个活跃研究领域。在接近绝对零的温度下，量子涨落引起量子跃迁。在这种情况下，该转变与温度驱动的BKT转变不同。

研究人员从二碲化钨(WTe2)块状晶体开始，它被归类为层状半金属。研究人员首先将二碲化钨转化为二维材料，将材料逐渐剥离或剥离成单个原子薄层。在这种薄度水平下，该材料表现为非常强的绝缘体，这意味着它的电子运动有限，因此无法导电。令人惊讶的是，研究人员发现该材料表现出许多新颖的量子行为，例如在绝缘相和超导相之间切换。他们能够通过构建一种功能类似于“开和关”开关的设备来控制这种开关行为。

但这只是第一步。研究人员接下来将材料置于两个重要条件下。他们做的第一件事是将二碲化钨冷却到极低的温度，大约50毫开尔文(mK)。

五十毫开尔文为-273.10摄氏度(或-459.58华氏度)，这是量子力学效应占主导地位的令人难以置信的低温。

然后，研究人员通过向材料中引入一些额外的电子，将材料从绝缘体转变为超导体。不需要太多的电压就可以达到超导状态。“只需很小的栅极电压就可以将材料从绝缘体变成超导体，”物理学博士后研究员、该论文的第一作者宋天成说。“这确实是一个了不起的效果。”

研究人员发现，他们可以通过栅极电压调整材料中的电子密度来精确控制超导特性。在临界电子密度下，量子涡旋迅速增殖并破坏超导性，促使发生量子相变。

为了检测这些量子涡旋的存在，研究人员在样品上创建了一个微小的温度梯度，使二碲化钨的一侧比另一侧稍微温暖。“漩涡寻求较冷的边缘，”翁说。“在温度梯度中，样本中的所有涡流都会漂移到较冷的部分，因此你所创建的是一条从较温暖的部分流向较冷的部分的涡流河。”

涡流在超导体中产生可检测的电压信号。这是由于一种以诺贝尔奖获得者物理学家布莱恩约瑟夫森命名的效应，他的理论预测，每当涡流穿过两个电触点之间绘制的线时，它们就会产生微弱的横向电压，可以通过纳伏检测到该电压。仪表。

“我们可以验证这就是约瑟夫森效应;如果你反转磁场，检测到的电压就会反转。”Ong说。

“这是涡流的一个非常具体的特征，”吴补充道。“直接检测这些移动涡流为我们提供了测量样品中量子涨落的实验工具，否则这是很难实现的。”

令人惊讶的量子现象

一旦作者能够测量这些量子涨落，他们就发现了一系列意想不到的现象。第一个惊喜是涡流的惊人鲁棒性。实验表明，这些涡流在比预期高得多的温度和磁场中持续存在。它们可以在远高于超导相(即材料的电阻相)的温度和磁场下生存。

第二个主要惊喜是，当电子密度调整到刚好低于超导态发生量子相变的临界值时，涡旋信号突然消失。在电子密度的临界值(研究人员称之为量子临界点(QCP))处，它代表相图中零温度的点，量子涨落驱动相变。

“我们预计非超导侧的临界电子密度以下会出现强烈波动，就像远高于BKT转变温度时出现的强烈波动一样，”吴说。“然而，我们发现，当超过临界电子密度时，涡旋信号‘突然’消失。这真是令人震惊。我们根本无法解释这一观察结果——波动的‘突然死亡’。”

Ong补充道，“换句话说，我们发现了一种新型的量子临界点，但我们不理解它。”

在凝聚态物理领域，目前有两种解释超导体相变的既定理论：Ginzburg-Landau理论和BKT理论。然而，研究人员发现这些理论都无法解释观察到的现象。

“我们需要一种新的理论来描述这种情况下发生的情况，”吴说，“这是我们希望在未来的工作中从理论上和实验上解决的问题。”