澎湃新聞記者 王蕙蓉
近日，科學家在原子尺度上對超導體中庫珀對(Cooper pairs)進行實驗探測，為研究量子材料提供了一種全新方法，並有助於了解非常規超導體(unconventional superconductors)。
超導體與原子尺度下的金屬尖端之間的安德烈夫反射，圖片來自Jose Lado/阿爾托大學
自然界最迷人的量子現象之一是超導。當超導材料冷卻到臨界溫度以下時，電阻為零，且具有完全抗磁性。在實驗中，若導體電阻的測量值低於10的負25次方Ω（歐姆），可以認為其電阻為零。
超導領域研究可追溯到一百多年前。1911年，荷蘭物理學家Heike Kamerlingh Onnes等人發現超導體汞在極低溫度下（絕對零度-273.15℃以上幾度），其電阻消失，呈現超導狀態，即汞的超導特性。1933年，Walther Meissner和Robert Ochsenfeld兩位科學家發現超導體的完全抗磁性，後稱為「邁斯納效應」(Meissner effect)。
隨著超導領域研究日趨深入，具有前述特性的超導體廣泛用於各個領域，包括磁懸浮、磁共振成像(MRI)、核磁共振(NMR)、粒子加速器、粒子探測器、電力傳輸、製造量子計算機等。
超導體作為一種電阻為零的材料，通常需要極低溫度。超導性由被稱為庫珀對的特殊連接電子對引起。庫珀對是美國物理學家Leon Cooper於1956年首次提出，描述低溫下一對電子（或其他費米子）以某種方式束縛在一起的理論。在低溫超導體中，電子並不是單個進行運動，而是以弱耦合形式形成配對，即庫珀對。形成庫珀對的兩個電子，一個自旋向上，另一個自旋向下。
此前，庫珀對的存在已經多次通過宏觀方式間接測量。但現在，由芬蘭阿爾托大學和美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員開發的一項新技術能夠以原子精度檢測它們的存在。相關成果發表在《納米快報》(Nano Letters)。
美國橡樹嶺國家實驗室Wonhee Ko和Petro Maksymovych在阿爾托大學教授Jose Lado理論支持下進行了實驗。
電子可以通過量子隧道穿越能量勢壘，在空間中從一個系統跳到另一個系統，這是經典物理學無法解釋的一種現象。例如，如果一個入射電子恰好在金屬(N)和超導體(S)的交界處與另一個電子(e)配對，它可以形成一個進入超導體的庫珀對，同時會在金屬中形成與之前入射電子自旋相反的空穴(hole)，如圖所示。這一過程被稱為安德烈夫反射(Andreev reflection)，由俄國物理學家Alexander F. Andreev首次發現。
安德烈夫反射示意圖
前述研究人員通過安德烈夫反射來檢測庫珀對。他們測量了原子尺度下的金屬尖端和超導體之間的電流，以及電流如何存在於尖端和超導體之間。這使他們能夠探測到返回超導體的安德烈夫反射量，同時保持與單原子相當的成像解析度。實驗結果與Lado提出的理論模型完全吻合。
前述科學家在原子尺度上對庫珀對的實驗探測，為探索量子材料提供了全新方法。研究人員首次能夠確定庫珀對的波函數在原子尺度上是如何重構的，以及庫珀對與原子尺度的雜質和其他障礙物之間是如何相互作用的。
圖片來自論文
「這項技術建立了一種重要的新方法，用於研究被稱為非常規超導體的一種奇特類型超導體內部的量子結構，有可能讓我們解決量子材料中的各種開放性問題。」阿爾托大學教授Lado說道。
非常規超導體是量子計算機的潛在基本構件，可以提供在室溫下實現超導的平台。在非常規超導體中，庫珀對具有獨特的內部結構。前述研究可以直接探測到非常規超導體中庫珀對的狀態，有助於探索和了解量子材料，推動開發量子技術。
責任編輯：李躍群
