超導理論的驗證庫珀對在Kagome金屬中呈現(xiàn)波狀分布

維爾茨堡物理學團隊提出的超導理論已在國際實驗中得到驗證，該實驗表明，庫珀對在Kagome金屬中呈現(xiàn)波狀分布。這一發(fā)現(xiàn)將使超導二極管等新技術應用成為可能。

大約15年來，Kagome材料以其星形結構吸引著全球研究人員，這種結構讓人聯(lián)想到日本的籃筐圖案。直到2018年，科學家才能夠在實驗室中合成具有這種結構的金屬化合物。

由于其獨特的晶體幾何形狀，Kagome金屬結合了獨特的電子、磁性和超導特性，使其在未來的量子技術中大有可為。

維爾茨堡-德累斯頓卓越集群ct.qmat—量子物質的復雜性和拓撲學的RonnyThomale教授、維爾茨堡大學(JMU)理論物理學系主任通過他早期的理論預測為此類材料提供了關鍵見解。

《自然》雜志發(fā)表的最新研究結果表明，這些材料可以制成新型電子元件，例如超導二極管。

Kagome超導體震撼科學界

在2023年2月16日發(fā)表在預印本服務器arXiv上的一篇論文中，Thomale教授的團隊提出，Kagome金屬中可能表現(xiàn)出一種獨特的超導性，庫珀對以波浪狀分布在亞晶格內。每個“星點”包含不同數(shù)量的庫珀對。該論文現(xiàn)已發(fā)表在《物理評論B》上。

如今，托馬勒的理論首次在國際實驗中得到直接證實，引起全球轟動。這推翻了早先關于卡戈米金屬只能存在均勻分布的庫珀對的假設。

庫珀對(以物理學家利昂·庫珀命名)是由電子對在極低溫度下形成的，對超導性至關重要。它們共同作用可以創(chuàng)造量子態(tài)，也可以無阻力地穿過Kagome超導體。

Thomale解釋道：“最初，我們對鉀釩銻(KV3Sb5)等Kagome金屬的研究集中于單個電子的量子效應，這些電子雖然不具有超導性，但可以在材料中表現(xiàn)出波狀行為。”

“兩年前，我們通過檢測電荷密度波，通過實驗證實了我們關于電子行為的初步理論，之后我們試圖在超低溫下尋找額外的量子現(xiàn)象。這導致了Kagome超導體的發(fā)現(xiàn)。然而，全球對Kagome材料的物理研究仍處于起步階段，”Thomale指出。

傳遞波動

“量子物理學對密度對波現(xiàn)象很熟悉，這是超導凝聚態(tài)的一種特殊形式。我們從烹飪中都知道，當蒸汽冷卻時，它會凝結成液體。

“類似的事情也發(fā)生在Kagome金屬中。在約-193°C的超低溫下，電子在材料中重新排列并以波的形式分布。自從發(fā)現(xiàn)電荷密度波以來，人們就知道這一點，”博士生HendrikHohmann解釋說，他與同事MatteoDürrnagel一起為理論工作做出了重要貢獻。

“當溫度降至-272°(幾乎絕對零度)時，電子會成對結合在一起。這些庫珀對會凝結成量子流體，并以波的形式在材料中傳播，從而實現(xiàn)無電阻超導。因此，這種波狀分布會從電子傳輸?shù)綆扃陮Α?rdquo;

之前對Kagome金屬的研究已經(jīng)證明了超導性和庫珀對的空間分布。令人驚訝的新發(fā)現(xiàn)是，這些庫珀對不僅可以均勻分布，還可以在原子亞晶格內呈波浪狀分布，這種現(xiàn)象被稱為“亞晶格調制超導”。

Dürrnagel補充道：“KV3Sb5中對密度波的存在最終歸因于超導溫度以上80°的波狀電子分布。這種量子效應的結合具有巨大的潛力。”

ct.qmat研究人員目前正在尋找Kagome金屬，其中庫珀對表現(xiàn)出空間調制，而超導性之前不會出現(xiàn)電荷密度波。有希望的候選者已經(jīng)在研究中。

諾貝爾獎得主約瑟夫森效應帶來突破

該實驗由中國深圳南方科技大學的尹家欣開發(fā)，開創(chuàng)性地直接探測了Kagome金屬中呈波浪狀分布的庫珀對。它利用了配備超導尖端的掃描隧道顯微鏡，能夠直接觀察庫珀對。

該尖端的設計以諾貝爾獎得主約瑟夫森效應為基礎，尖端末端為單個原子。超導電流在顯微鏡尖端和樣品之間通過，從而可以直接測量庫珀對的分布。

“目前的發(fā)現(xiàn)是邁向節(jié)能量子器件的又一個里程碑。雖然這些效應目前只能在原子層面觀察到，但一旦Kagome超導性在宏觀尺度上實現(xiàn)，新型超導元件將變得可行。這就是我們基礎研究的動力，”Thomale教授表示。

前景

雖然世界上最長的超導電纜已在慕尼黑鋪設完畢，但超導電子元件的研究仍在進行中。第一個超導二極管已經(jīng)在實驗室中開發(fā)出來，但它們依賴于不同超導材料的組合。

相比之下，獨特的Kagome超導體具有庫珀對的固有空間調制，本身可充當二極管，為超導電子學和無損電路提供了令人興奮的可能性。

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