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Science：稀有金属将为量子设备提供革命性“开关”

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发布时间：2023-11-22
 
量子科学家发现的一种罕见现象可能是开发量子设备“完美开关”的关键——这种设备可以在绝缘体和超导体之间切换。
 
这项由布里斯托大学领导并发表在《科学》杂志上的研究发现，这两种截然相反的电子状态发生在紫青铜中：紫青铜是一种由单个导电原子链组成的一维金属。
 
 
图片展示了突现对称性的表现形式，显示了一个完全对称的水滴从层层积雪中浮现出来。相比之下，雪中的冰晶形状复杂，因此对称性低于水滴。紫色表示发现这一现象的紫色青铜材料
 
材料中的微小变化，例如由热或光等微小刺激引起的变化，可立即从导电率为零的绝缘体转变为导电率无限的超导体，反之亦然。这种极化适应性被称为“突现对称性”（emergent symmetry），有可能为未来的量子技术突破提供一个完美的开关。
 
在没有磁场的情况下，紫铜的电阻在很大程度上取决于引入电流的方向。它与温度的关系同样有些复杂。室温下的电阻是金属性的，但当温度降低时，电阻发生逆转，材料似乎变成了绝缘体。然后，在最低温度下，当它转化为超导体时，电阻又会急剧下降。
 
尽管如此错综复杂，磁阻却被发现极其简单。无论电流或磁场以哪种方式排列，它实际上都是一样的，而且从环境温度到超导转变点，它一直遵循完美的线性温度依赖关系。
 
“由于对这种令人费解的行为没有找到一致的解释，这些数据在接下来的七年中一直处于休眠状态，没有发表。这样的停顿在量子研究中是不常见的，但其原因并非缺乏统计。”研究第一作者、布里斯托尔大学物理学教授奈杰尔·赫西（Nigel Hussey）补充说：“磁响应的这种简单性必然掩盖了复杂的起源，而事实证明，只有通过一次偶然的相遇才有可能解决这个问题。”
 
2017年，赫西教授在拉德布德大学工作时，看到了物理学家Piotr Chudzinski博士关于紫色青铜的会议广告。他的兴趣被激发了出来，因为当时很少有研究人员花整整一节课的时间来研究这个鲜为人知的课题。
 
赫西说：“在研讨会上，Chudzinski提出，电阻上翘可能是由传导电子与被称为‘暗激子’的难以捉摸的复合粒子之间的干扰造成的。我们在研讨会后进行了交谈，并共同提出了一个实验来验证他的理论。我们随后进行的测量基本上证实了这一理论。”
 
赫西教授为这一结果所鼓舞，他将手头数据展示给了Chudzinski博士。Chudzinski对该数据的两个核心特性很感兴趣：与温度的线性关系以及电流和磁场方向的独立性，还有一个事实是，根据材料的开发方式，材料本身既可以显示绝缘行为，也可以显示超导行为。
 
Chudzinski博士质疑，随着温度的降低，他之前引入的激子与电荷载流子之间的相互作用是否会导致前者趋向于绝缘态与超导态之间的边界，而不是完全变为绝缘体。在边界本身，系统成为绝缘体或超导体的可能性几乎相等。
 
赫西进一步指出：“这种物理对称性是一种不寻常的状态，随着温度的降低，在金属中形成这种对称性，因此被称为‘突现对称性’，这将是世界首创。”
 
对称性破缺，即电子系统的对称性随着冷却而降低的过程，是物理学家非常了解的一种现象。冰晶中错综复杂的水分子排列就是这种对称性破坏的一个例子。然而，与之相反的情况却非常少见，甚至可以说是绝无仅有。
 
回到水/冰的对比，似乎当冰进一步冷却时，错综复杂的冰晶就会“融化”回光滑、对称的水滴。
 
想象一下变魔术，一个暗淡、扭曲的图形会变成一个美丽、完美对称的球体。一言以蔽之，这就是突现对称性的精髓。这个图形就是我们的材料：紫色青铜，而我们的魔术师就是大自然本身。
 
拉德堡德大学的另一位博士生马腾·伯本（Maarten Berben）研究了另外100块晶体：其中一些是绝缘晶体，另一些则是超导晶体，以确定这一想法是否站得住脚。
 
最后，赫西总结道：“经过马腾的艰苦努力，故事终于完整了，不同晶体表现出如此巨大差异的基态的原因也显而易见了。展望未来，也许有可能利用这种‘突发’在量子电路中制造开关，通过微小的刺激引起开关电阻发生巨大的、数量级的变化。”
 
参考链接：
[1]https://www.azoquantum.com/News.aspx?newsID=9935
[2]https://phys.org/news/2023-11-reveals-rare-metal-revolutionary-future.html
[3]https://www.eurekalert.org/news-releases/1008596
 

 

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