麻省理工學院的物理學家們在該團隊大約一年前才合成的一種新材料中展示了一種奇特的超導形式。儘管在20世紀60年代就已經預測到了，但直到現在這種類型的超導性已經被證明很難穩定下來。此外，科學家們發現同樣的材料有可能被操縱來表現出另一種同樣奇特的超導性形式。
這項工作在2021年11月3日的《自然》雜誌上報道。
在一種被稱為天然超晶格的層狀晶體中展示有限動量超導性意味着這種材料可以被調整，以便在同一樣品中創造不同的超導模式。而這反過來又可能對量子計算等產生影響。
該材料也有望成為探尋非常規超導體秘密的重要工具。這可能對新的量子技術有用。設計這種技術是具有挑戰性的，部分原因是它們所組成的材料可能難以研究。這種新材料可以簡化這種研究，因為除其他外，它相對容易製造。
“我們研究的一個重要主題是新的物理學來自於新的材料，”這項工作的主要研究者Joseph Checkelsky說。“我們去年的初步報告是關於這種新材料的。這項新工作報告了新的物理學。”
新的量子材料
經典物理學可以用來解釋支撐我們世界的任何數量的現象–直到事情變得非常小。像電子和夸克這樣的亞原子粒子的行為是不同的，其方式仍未被完全理解。進入量子力學，這個領域試圖解釋它們的行為和產生的影響。
Checkelsky及其同事發現了一種新的量子材料，或者說在宏觀尺度上表現出量子力學的奇異特性的材料。在這種情況下，有關的材料是一種超導體。
Checkelsky解釋說，最近有一個實現特殊超導體的熱潮，這些超導體是二維的，或者只有幾個原子層厚。這些新的超薄超導體引起了人們的興趣，部分原因是它們有望給人們帶來對超導性本身的深入了解。
但是也有挑戰。首先，只有幾個原子層厚的材料本身就很難研究，因為它們是如此精細。能否有另一種方法來揭開它們的秘密？
Checkelsky及其同事製造的新材料可以被認為是相當於一個層狀蛋糕的超導材料，其中一層是超導材料的超薄薄膜，而下一層是保護它的超薄間隔層。將這些層層疊加在一起，就會形成一個大的晶體（當硫、鈮和鋇的組成元素一起加熱時，這種情況自然會發生）。”而那個宏觀晶體，我可以拿在手裡，表現得像一個二維超導體。這是非常令人驚訝的，”Checkelsky說。
科學家們用來研究二維超導體的許多探針，在原子級薄的材料上使用是具有挑戰性的。Checkelsky說，由於這種新材料如此之大，“我們現在有更多的工具（來表徵它）”。事實上，對於目前論文中報告的工作，科學家們使用了一種需要大量樣品的技術。
奇特的超導體
超導體以一種特殊的方式攜帶電荷。電荷不是通過一個電子攜帶，而是由兩個電子結合在一起，即所謂的庫珀對。然而，並非所有的超導體都是一樣的。一些不尋常的超導形式只有在庫珀對能夠不受阻礙地在材料中跨越相對較長的距離時才能出現。距離越長，材料就越”乾淨”。
Checkelsky團隊的材料是非常乾淨的。因此，物理學家們很想知道它是否會表現出一種不尋常的超導狀態，而它確實如此。在目前的論文中，該團隊表明，他們的新材料在施加磁場時是一種有限動量的超導體。這種特殊的超導性是在20世紀60年代提出的，一直吸引着科學家。
雖然超導性通常會被適度的磁場破壞，但有限動量的超導體可以通過形成具有大量庫珀對的區域和沒有庫珀對的區域的規則模式而進一步持續下去。事實證明，隨着庫珀對在被稱為朗道級的量子力學軌道之間的移動，這種超導體可以被操縱來形成各種不尋常的模式。Checkelsky說，這意味着，科學家們現在應該能夠在同一種材料中創造出不同的超導模式。
“這是一個引人注目的實驗，它能夠證明庫珀對在超導體的朗道級之間移動，這是以前從未被觀察到的。坦率地說，我從來沒有預料到會在一個你可以拿在手裡的晶體中看到這一點，所以這非常令人興奮。”為了觀察這種難以捉摸的效應，作者不得不對他們之前發現的一種獨特的二維超導體進行艱苦的、高精度的測量。康奈爾大學物理學教授Kyle Shen說：“這是一個了不起的成就，不僅在其技術難度上，而且在其聰明程度上。”
此外，物理學家們意識到，他們的材料還具有另一種奇特的超導性的成分。拓撲超導性涉及電荷沿邊緣或邊界的移動。在這種情況下，電荷可以沿着每個內部超導圖案的邊緣移動。
Checkelsky團隊目前正在努力研究他們的材料是否確實能夠實現拓撲超導性。如果是這樣，“我們能不能把這兩種新的超導類型結合起來？那會帶來什麼？” Checkelsky問道。
他總結說：“實現這種新材料是一件非常有趣的事情。當我們深入了解它能做什麼的時候，已經有很多驚喜了。當新的東西出現在我們意想不到的地方時，這真的很令人興奮。”