2024-08-05 15:45:18 人气：95
量子科学家在紫青铜中发现了一种现象，它可能是开发量子设备\"完美开关\"的关键，这种开关可以在绝缘体和超导体之间切换。这项由布里斯托尔大学领导并发表在《科学》（Science）杂志上的研究发现，紫青铜中存在这两种相反的电子状态，紫青铜是一种独特的一维金属，由单个导电原子链组成。
量子科学家在紫铜这种一维金属中发现了一种现象，它可以在绝缘态和超导态之间切换。这种由热或光等最小刺激触发的切换是由于 \"突发对称性\"。这一突破性发现是由对这种金属的磁阻研究引发的，它可能导致量子设备中完美开关的开发，这是量子技术的一个潜在里程碑。
例如，在热或光等微小刺激的作用下，材料中的微小变化可能会引发从导电率为零的绝缘状态到导电率无限的超导体的瞬间转变，反之亦然。这种被称为\"新兴对称性\"的极化多功能性，有可能为未来的量子技术发展提供理想的开关。
图中展示了新兴对称性，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。资料来源：布里斯托尔大学
主要作者、布里斯托尔大学物理学教授奈杰尔-赫西（Nigel Hussey）说：\"这是一个非常令人兴奋的发现，它可以为未来的量子设备提供一个完美的开关。这一非凡之旅始于 13 年前我的实验室，当时两名博士生徐晓峰和尼克-维克汉姆测量了紫色青铜的磁阻--磁场引起的电阻变化。\"
在没有磁场的情况下，紫青铜的电阻在很大程度上取决于引入电流的方向。它与温度的关系也相当复杂。在室温左右，电阻是金属性的，但随着温度的降低，电阻会发生逆转，这种材料似乎变成了绝缘体。然后，在最低温度下，电阻再次骤降，因为它转变成了超导体。尽管如此复杂，令人惊讶的是，磁阻却被发现极其简单。无论电流或磁场的方向如何，磁阻都基本相同，而且从室温一直到超导转变温度，磁阻都与温度呈完美的线性关系。
\"由于对这一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。\"赫西教授解释说：\"这样的停顿在量子研究中并不常见，但原因并不在于缺乏统计数据。磁响应的这种简单性无一例外地掩盖了其复杂的起源，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。\"
偶遇带来突破
2017 年，赫西教授在拉德布德大学工作，看到了物理学家 Piotr Chudzinski 博士关于紫铜主题的研讨会广告。当时，很少有研究人员用整场研讨会来讨论这种鲜为人知的材料，因此他的兴趣被激发了出来。
赫西教授说：\"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。\"
在这一成功的鼓舞下，赫西教授恢复了徐和 Wakeham 的磁阻数据，并将其展示给 Chudzinski 博士。数据的两个核心特征--与温度的线性关系以及与电流和磁场方向的独立性让 Chudzinski 感到非常好奇，同样让他感到好奇的是，根据材料的生长方式，材料本身既可以表现出绝缘行为，也可以表现出超导行为。
Chudzinski 博士想知道，电荷载流子和他之前介绍的激子之间的相互作用是否会导致前者在温度降低时趋向绝缘态和超导态之间的边界，而不是完全转变为绝缘体。在边界处，系统成为绝缘体或超导体的概率基本相同。
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。
物理学家对对称性破缺现象非常熟悉：电子系统在冷却时对称性降低。冰晶中水分子的复杂排列就是对称性被打破的一个例子。但相反的情况即使不是绝无仅有，也是极为罕见的。回到水/冰的类比，就好像冰进一步冷却后，冰晶的复杂性会再次\"融化\"，变成像水滴一样对称和光滑的东西。
现任贝尔法斯特女王大学研究员的丘津斯基博士说：\"想象一下变魔术的场景：一个呆板、扭曲的图形变成了一个美丽、完美对称的球体。一言以蔽之，这就是新兴对称性的本质。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。\"
为了进一步检验这一理论是否站得住脚，拉德布德大学的另一名博士生马腾-伯本（Maarten Berben）对另外 100 块晶体进行了研究，其中有些是绝缘晶体，有些则是超导晶体。
赫西教授补充说：\"经过马腾的不懈努力，研究工作终于完成，不同晶体的基态差异如此之大的原因也逐渐显现出来。展望未来，我们有可能利用这种'边缘性'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\"。