制造和操纵高温超导体的新策略

　　超导体几十年来一直吸引着物理学家。但是，这些材料虽然能完美无损地进行电子流动，但通常只有在温度极低(比绝对零度高几度)时才会表现出这种量子力学特性，从而使它们变得不切实际。

　　由哈佛大学物理学和应用物理学教授Philip Kim领导的一个研究小组展示了一种制造和操纵一种被广泛研究的高温超导体铜酸盐的新策略，为在以前无法获得的材料中设计新的、不寻常的超导形式扫清了道路。

　　使用一种独特的低温设备制造方法，Kim和他的团队在《科学》杂志上报告了世界上第一个高温超导二极管的有希望的候选物——本质上是一种使电流向一个方向流动的开关——由薄铜晶体制成。

　　理论上，这样的设备可以为量子计算等新兴行业提供动力，量子计算依赖于难以维持的短暂机械现象。

　　“事实上，高温超导二极管是可能的，不需要磁场的应用，并打开了探索奇异材料研究的新大门，”Kim说。

　　铜酸盐是一种铜氧化物，几十年前，它颠覆了物理世界，因为它显示出它们在比理论家认为可能的温度高得多的温度下变得超导，“更高”是一个相对术语(铜超导体的当前记录是-225华氏度)。然而，由于其复杂的电子和结构特征，在不破坏其超导相的情况下处理这些材料是非常复杂的。

　　该团队的实验由S. Y. Frank Zhao领导，他曾是格里芬艺术与科学研究生院的学生，现在是麻省理工学院的博士后研究员。Zhao在超纯氩气中使用无空气低温晶体操作方法，设计了两个极薄的铜铋锶钙氧化铜层之间的清洁界面，绰号BSCCO(“bisco”)。

　　BSCCO被认为是一种“高温”超导体，因为它在零下288华氏度左右开始超导——按照实际标准，这是很冷的，但在超导体中却高得惊人，超导体通常必须冷却到零下400华氏度左右。

　　赵首先将BSCCO分成两层，每层的宽度是人类头发的千分之一。然后，在零下130度的温度下，他把这两层材料以45度的扭曲堆叠起来，就像冰淇淋三明治上歪斜的晶圆一样，在脆弱的界面上保持超导性。

　　研究小组发现，根据电流的方向不同，可以无阻力通过界面的最大超电流是不同的。至关重要的是，该团队还展示了通过逆转这种极性来控制界面量子态的电子控制。

　　正是这种控制有效地让他们制造出了可切换的高温超导二极管——这是基础物理学的一个示范，有朝一日，它可能会被整合到一块计算技术中，比如量子比特。

　　赵说:“这是研究拓扑相的一个起点，其特征是量子态免受缺陷的保护。”

　　哈佛大学的研究小组与英属哥伦比亚大学的Marcel Franz和罗格斯大学的Jed Pixley合作，他们的团队之前进行了理论计算，准确地预测了铜超导体在大范围扭转角下的行为。调和实验观察结果还需要康涅狄格大学的帕维尔·a·沃尔科夫(Pavel A. Volkov)发展新的理论。

　　更多信息:S. Y. Frank Zhao等，扭曲铜超导体间的时间反转对称性破缺超导，Science(2023)。DOI: 10.1126 / science.abl8371

　　哈佛大学提供

　　引文:制造和操纵高温超导体的新策略(2023,12月18日)，2023年12月18日检索自https://phys.org/news/2023-12-strategy-higher-temperature-superconductors.html

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