超導(dǎo)體和尖銳金屬尖端原子之間的安德烈夫反射示意圖。

圖片來(lái)源：阿爾托大學(xué)/何塞·拉多

超導(dǎo)是由稱為庫(kù)珀對(duì)的特殊連接的電子對(duì)引起的。到目前為止，庫(kù)珀對(duì)的出現(xiàn)已被宏觀地間接測(cè)量，但芬蘭阿爾托大學(xué)和美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究人員開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)能以原子精度檢測(cè)它們的出現(xiàn)。相關(guān)研究發(fā)表在最新一期《納米快報(bào)》雜志上。

電子可通過(guò)量子隧道穿越能壘，以經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋的方式通過(guò)空間，從一個(gè)系統(tǒng)跳到另一個(gè)系統(tǒng)。例如，如果一個(gè)電子在金屬和超導(dǎo)體相遇的點(diǎn)與另一個(gè)電子配對(duì)，它可形成進(jìn)入超導(dǎo)體的庫(kù)珀對(duì)，同時(shí)在一個(gè)稱為安德烈夫的過(guò)程中將另一種粒子“反沖”到金屬中反射。

研究人員通過(guò)尋找這些安德烈夫反射來(lái)檢測(cè)庫(kù)珀對(duì)。為此，他們測(cè)量了原子級(jí)尖銳金屬尖端和超導(dǎo)體之間的電流，以及電流與尖端和超導(dǎo)體之間分離的關(guān)系。這使他們能檢測(cè)返回到超導(dǎo)體的安德烈夫反射量，同時(shí)保持與單個(gè)原子相當(dāng)?shù)某上穹直媛?。?shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合理論模型。

這種在原子尺度上對(duì)庫(kù)珀對(duì)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，為理解量子材料提供了一種全新的方法。研究人員第一次可獨(dú)特地確定庫(kù)珀對(duì)的波函數(shù)如何在原子尺度上重建，以及它們?nèi)绾闻c原子尺度的雜質(zhì)和其他障礙物相互作用。

這將使研究人員能解決量子材料中的各種開(kāi)放問(wèn)題。其中，“非常規(guī)超導(dǎo)體”是量子計(jì)算機(jī)的潛在基礎(chǔ)構(gòu)件，可提供在室溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的平臺(tái)，而庫(kù)珀對(duì)在“非常規(guī)超導(dǎo)體”中具有獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

新發(fā)現(xiàn)允許研究人員直接探測(cè)“非常規(guī)超導(dǎo)體”中庫(kù)珀對(duì)的狀態(tài)。它代表對(duì)量子材料的理解向前邁出重要一步，并有助于推動(dòng)量子技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

記者張夢(mèng)然