研究表明稀有金属可以为未来的量子设备提供革命性的开关
量子科学家发现了一种罕见的现象，它可能是在量子器件中创建“完美开关”的关键，这种器件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，紫青铜中存在这两种相反的电子态，紫青铜是一种由单个导电原子链组成的独特一维金属。
材料的微小变化，例如由热或光等小刺激引起的，可能会触发从电导率为零的绝缘状态到电导率无限的超导体的瞬时转变，反之亦然。这种极化的多功能性，被称为“涌现对称性”，有可能在未来的量子技术发展中提供理想的开关。
主要作者、布里斯托大学物理学教授 Nigel Hussey 表示：“这是一个非常令人兴奋的发现，可以为未来的量子设备提供完美的开关。
“这段非凡的旅程始于 13 年前，在我的实验室，当时两名博士生徐晓峰和尼克·韦克汉姆测量了紫青铜的磁阻(磁场引起的电阻变化)。”
在没有磁场的情况下，紫青铜的电阻高度依赖于电流引入的方向。其温度依赖性也相当复杂。在室温附近，电阻是金属性的，但随着温度降低，这种情况会逆转，材料似乎变成绝缘体。然后，在最低温度下，当它转变为超导体时，电阻再次急剧下降。尽管如此复杂，令人惊讶的是，磁阻被发现极其简单。无论电流或场排列的方向如何，它本质上都是相同的，并且从室温到超导转变温度一直遵循完美的线性温度依赖性。
“由于找不到对这种令人费解的行为的连贯解释，这些数据处于休眠状态，并在接下来的七年里一直未发表。像这样的中断在量子研究中是不寻常的，尽管其原因并不是缺乏统计数据，”赫西教授解释道。
“磁响应的这种简单性总是掩盖了复杂的起源，事实证明，它的可能解决方案只能通过偶然的相遇来实现。”
2017 年，赫西教授在拉德堡德大学工作时，看到了物理学家 Piotr Chudzinski 博士举办的关于紫青铜主题的研讨会的广告。当时很少有研究人员将整个研讨会投入到这种鲜为人知的材料上，因此他的兴趣被激发了。
赫西教授说：“在研讨会上，查津斯基提出，电阻上升可能是由传导电子与难以捉摸的复合粒子(称为&luo;暗激子&ruo;)之间的干扰引起的。研讨会结束后我们聊了聊，并一起提出了一个实验来检验他的理论。我们随后的测量基本上证实了这一点。”
受到这一成功的鼓舞，赫西教授恢复了徐和韦克汉姆的磁阻数据，并将其展示给查津斯基博士。数据的两个核心特征——与温度的线性关系以及对电流和场方向的独立性——引起了 Chudzinski 的兴趣，而且材料本身可以根据材料的生长方式表现出绝缘和超导行为。
Chudzinski 博士想知道，随着温度降低，电荷载流子与他之前引入的激子之间的相互作用是否会导致电荷载流子向绝缘态和超导态之间的边界倾斜，而不是完全转变为绝缘体。在边界本身，系统成为绝缘体或超导体的概率本质上是相同的。
赫西教授说：“这种物理对称性是一种不寻常的现象，随着温度降低而在金属中发展出这种对称性，因此出现&luo;涌现对称性&ruo;一词，将构成世界首创。”
物理学家非常熟悉对称破缺现象：冷却时电子系统的对称性降低。冰晶中水分子的复杂排列就是这种对称性破缺的一个例子。但相反的情况即使不是独一无二，也是极其罕见的。回到水/冰的类比，就好像在进一步冷却冰时，冰晶的复杂性再次“融化”成像水滴一样对称和光滑的东西。
现为贝尔法斯特女王大学研究员的查津斯基博士说：“想象一下一个魔术，将一个暗淡、扭曲的人物变成一个美丽、完美对称的球体。简而言之，这就是涌现对称性的本质。这个人物是我们的材料，紫青铜，而我们的魔法师则是大自然本身。”
为了进一步测试该理论是否成立，拉德堡德大学的另一位博士生 Maarten Berben 对另外 100 个单独的晶体(其中一些是绝缘的，另一些是超导的)进行了研究。
赫西教授补充道：“经过马丁的艰巨努力，故事已经完成，不同晶体表现出如此截然不同的基态的原因也变得显而易见。展望未来，也许有可能利用这种“边缘性”在量子电路中创建开关，从而微小的刺激会引起开关电阻发生深刻的、数量级的变化。”
版权声明：本文由用户上传，如有侵权请联系删除！