微小的量子电子涡流可以以前所未有的方式在超导体中循环

在超导体中，可能会发生称为量子涡流的小电子龙卷风，这对量子传感器等超导应用具有重要意义。一个国际研究小组报告说，现在已经发现了一种新型超导涡流。

斯德哥尔摩 KTH 皇家理工学院教授 Egor Babaev 表示，这项研究基于 2003 年诺贝尔奖获得认可的量子涡旋研究，修正了人们对电子流动如何在超导体中发生的普遍理解。KTH 的研究人员与斯坦福大学、上海 TD Lee 研究所和筑波 AIST 的研究人员一起发现，超导体中涡流产生的磁通量可以分为比想象的更广泛的值。

这代表了对超导基本原理的新见解，也有可能应用于超导电子学。

当向超导体施加外部磁场时，会发生磁通量涡流。磁场以形成涡流的量子化磁通量管的形式穿透超导体。巴巴耶夫说，最初的研究认为，量子涡流穿过超导体，每个超导体都携带一个量子磁通量。但是，在早期的超导理论中，不可能考虑任意比例的量子通量。

Babaev 的共同作者、研究科学家 Yusuke Iguchi 和 Kathryn A. Moler 教授使用斯坦福大学的超导量子干涉装置 (SQUID)，在微观水平上表明量子涡流可以存在于单个电子带中。Moler 说，该团队能够创建并移动这些分数量子涡旋。

“Babaev 教授多年来一直告诉我，我们可以看到这样的东西，但直到 Iguchi 博士真正看到它并进行了一系列详细检查之前，我才相信它，”她说。

Iguchi 说，斯坦福大学的研究人员发现这种现象的最初观察“非常罕见”，因此他们在不同的地点和温度下重复了 75 次实验。

这项工作证实了巴巴耶夫 20 年前发表的一项预测，该预测认为，在某些类型的晶体中，超导材料的一部分电子群可以形成顺时针循环的涡流，而其他电子则可以同时形成逆时针的涡流。“这些组合的量子龙卷风可以携带任意比例的通量量子，”他说。

“这改变了我们对超导体中量子涡旋的理解，”他说。

莫勒肯定了这个结论。“25 年来，我一直在研究新型超导体中的涡流，但我以前从未见过这种情况，”她说。

巴巴耶夫说，量子涡旋的稳健性和控制它们的可能性表明，量子涡旋有可能被用作超导计算机中的信息载体。

“我们获得的知识，以及我们在斯坦福大学的同事 Iguchi 博士和 Moler 教授介绍的壮观方法，从长远来看可能对某些量子计算平台有潜在帮助，”Babaev 说。