研究称奇特的新材料或是两种超导体的结合体 具有重要的量子计算用途

这项工作在2021年11月3日的《自然》杂志上报道。

在一种被称为天然超晶格的层状晶体中展示有限动量超导性意味着这种材料可以被调整，以便在同一样品中创造不同的超导模式。而这反过来又可能对量子计算等产生影响。

该材料也有望成为探寻非常规超导体秘密的重要工具。这可能对新的量子技术有用。设计这种技术是具有挑战性的，部分原因是它们所组成的材料可能难以研究。这种新材料可以简化这种研究，因为除其他外，它相对容易制造。

"我们研究的一个重要主题是新的物理学来自于新的材料，"这项工作的主要研究者Joseph Checkelsky说。“我们去年的初步报告是关于这种新材料的。这项新工作报告了新的物理学。”

新的量子材料

经典物理学可以用来解释支撑我们世界的任何数量的现象--直到事情变得非常小。像电子和夸克这样的亚原子粒子的行为是不同的，其方式仍未被完全理解。进入量子力学，这个领域试图解释它们的行为和产生的影响。

Checkelsky及其同事发现了一种新的量子材料，或者说在宏观尺度上表现出量子力学的奇异特性的材料。在这种情况下，有关的材料是一种超导体。

Checkelsky解释说，最近有一个实现特殊超导体的热潮，这些超导体是二维的，或者只有几个原子层厚。这些新的超薄超导体引起了人们的兴趣，部分原因是它们有望给人们带来对超导性本身的深入了解。

但是也有挑战。首先，只有几个原子层厚的材料本身就很难研究，因为它们是如此精细。能否有另一种方法来揭开它们的秘密？

Checkelsky及其同事制造的新材料可以被认为是相当于一个层状蛋糕的超导材料，其中一层是超导材料的超薄薄膜，而下一层是保护它的超薄间隔层。将这些层层叠加在一起，就会形成一个大的晶体（当硫、铌和钡的组成元素一起加热时，这种情况自然会发生）。"而那个宏观晶体，我可以拿在手里，表现得像一个二维超导体。这是非常令人惊讶的，"Checkelsky说。

科学家们用来研究二维超导体的许多探针，在原子级薄的材料上使用是具有挑战性的。Checkelsky说，由于这种新材料如此之大，“我们现在有更多的工具（来表征它）”。事实上，对于目前论文中报告的工作，科学家们使用了一种需要大量样品的技术。

奇特的超导体

超导体以一种特殊的方式携带电荷。电荷不是通过一个电子携带，而是由两个电子结合在一起，即所谓的库珀对。然而，并非所有的超导体都是一样的。一些不寻常的超导形式只有在库珀对能够不受阻碍地在材料中跨越相对较长的距离时才能出现。距离越长，材料就越"干净"。

Checkelsky团队的材料是非常干净的。因此，物理学家们很想知道它是否会表现出一种不寻常的超导状态，而它确实如此。在目前的论文中，该团队表明，他们的新材料在施加磁场时是一种有限动量的超导体。这种特殊的超导性是在20世纪60年代提出的，一直吸引着科学家。

虽然超导性通常会被适度的磁场破坏，但有限动量的超导体可以通过形成具有大量库珀对的区域和没有库珀对的区域的规则模式而进一步持续下去。事实证明，随着库珀对在被称为朗道级的量子力学轨道之间的移动，这种超导体可以被操纵来形成各种不寻常的模式。Checkelsky说，这意味着，科学家们现在应该能够在同一种材料中创造出不同的超导模式。

“这是一个引人注目的实验，它能够证明库珀对在超导体的朗道级之间移动，这是以前从未被观察到的。坦率地说，我从来没有预料到会在一个你可以拿在手里的晶体中看到这一点，所以这非常令人兴奋。”为了观察这种难以捉摸的效应，作者不得不对他们之前发现的一种独特的二维超导体进行艰苦的、高精度的测量。康奈尔大学物理学教授Kyle Shen说：“这是一个了不起的成就，不仅在其技术难度上，而且在其聪明程度上。”

此外，物理学家们意识到，他们的材料还具有另一种奇特的超导性的成分。拓扑超导性涉及电荷沿边缘或边界的移动。在这种情况下，电荷可以沿着每个内部超导图案的边缘移动。

Checkelsky团队目前正在努力研究他们的材料是否确实能够实现拓扑超导性。如果是这样，“我们能不能把这两种新的超导类型结合起来？那会带来什么？” Checkelsky问道。

他总结说：“实现这种新材料是一件非常有趣的事情。当我们深入了解它能做什么的时候，已经有很多惊喜了。当新的东西出现在我们意想不到的地方时，这真的很令人兴奋。”