超导体中量子涡旋的神秘“突然死亡”困扰着科学家

原子薄的二维超导体内量子涨落的突然消失让科学家们感到困惑。

物理学家观察到一种奇异的超导材料内量子涨落的神秘“突然死亡”。

这一发现是在半金属化合物二碲化钨的原子薄层中发现的，需要一种全新的理论来解释它。 

描述这种情况发生的原因可以揭示对超导体的新见解，超导体是电流无电阻流动的材料。室温超导体被认为是物理学的“圣杯”，可以促进近乎无损的能量传输。 

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“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，”吴三峰，助理教授。普林斯顿大学物理学教授、《自然物理学》杂志 1 月 5 日研究的合著者，在一份声明中表示。 “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。”

当材料的原子排列发生变化时，例如当固体熔化成液体或液体蒸发成气体时，就会发生相变。但它们也可以发生在量子水平上，导致材料内部的电子以所谓的库珀对的形式组合起来，并像超流体一样流动，没有任何阻力。 

这种超导转变通常只发生在接近绝对零的温度下，但几十年来，更高温度下超导性的发现一直吸引着科学家们，希望在室温下重现这一过程。但这项研究因未重现的实验，甚至数据伪造的指控而受到损害。

为了更好地了解超导性何时以及如何出现，这项新研究的研究人员将二碲化钨晶体剥离成单原子层，然后将其过冷至仅 50 毫开尔文（负 273.10 摄氏度或负 459.58 华氏度）。

这留下了一个强大的绝缘体；它的电子太受限制，无法通过其流动来导电。但当他们添加额外的电子并施加电压时，他们产生了非凡的结果：材料转变为超导体。

主要作者、普林斯顿大学物理学博士后研究员宋天成在声明中表示：“只需很小的栅极电压就可以将材料从绝缘体转变为超导体。” “这确实是一个了不起的效果。”

材料通过积累热力学状态的微小波动来翻转相。在二维超导体中，这些波动的发生是由于量子涡旋，即微小的磁场漩涡，在超过一定温度和电压时，量子涡旋会在材料中传播并破坏其超导能力。

这种转变发生在一个称为临界电子密度的阈值——在这个点上，库珀对中的超导电子有足够的动能来脱离它们的伙伴。

在这项新研究中，研究人员测量了施加电压产生的涡流。

过去的实验表明，这些涡流在高温和磁场下（或者一旦它们将材料从超导相推入电阻相）就会突然消失。

但实验发现相反，在更高的温度和更强的磁场下，涡流会长期持续到材料的绝缘阶段。

此外，当超导材料冷却到接近绝对零并且电子密度调整到相变的刀刃时，它应该达到称为量子临界点的阶段。由于没有温度来驱动相变，材料应该根据随机涡旋波动的变化在绝缘相和超导相之间翻转。

但当实验者将材料冷却到接近绝对零时，他们观察到量子漩涡并没有在量子临界点以下微弱地持续存在，而是突然消失了。

“我们预计非超导侧的临界电子密度将持续存在强烈波动，”吴说。 “然而，我们发现，当越过临界电子密度时，涡旋信号‘突然’消失。这是一个冲击。我们无法解释这一观察结果——波动的‘突然死亡’。”

“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，”合著者、普林斯顿大学物理学教授 Nai Phuan Ong 在声明中说。

研究人员表示，为了描述这一令人震惊的发展，他们需要开发一种全新的理论并在实验室中进行测试。如果他们成功了，他们将在帮助我们理解超导材料的奇怪行为方面迈出了一小步但至关重要的一步。