“破對”理論的圖解。在一根半徑為10納米線內，電子在低溫(綠色)下可以配對，並在超導相中從一個接觸點移動到另一個接觸點，沒有阻力。在磁場穿透導線的情況下，電子對會向相反的方向(粉色和藍色)偏轉，並可能與導線的邊緣發生碰撞並斷裂。隨著電場強度的增加，所有電子對都斷裂了，納米線經歷了從超導體到普通金屬的相變。
研究相變，需要對物質加熱並觀察它的性質如何變化。
現在，想象你能把所有的東西都冷卻到很低的溫度——以至於所有的熱效應都消失了。這就是所謂的量子領域，在這裡，壓力和磁場會在一種叫做量子相變(QPT)的現象中引發新的相位。QPT不只是從一個狀態簡單地過渡到另一個狀態，它還在某些材料中形成了全新的性質，如超導性。
科學家在30年前就發現了超導現象，但超導的機理仍然是個謎，因為大多數材料太複雜，無法深入瞭解。
現在，美國猶他大學的物理學家和合作者們已經發現，由MoGe合金製成的超導納米線在低溫並處於遞增磁場中時，會經歷從超導到正常金屬狀態的量子相變。這項研究首次揭示了材料失去超導性的微觀過程——磁場會把名為庫珀對的電子對分開，這些電子對會與其他的庫珀對相互作用，並遭遇到系統中出現的來自於未成對電子的阻尼力。
美國佛蒙特大學副教授Adrian Del Maestro提出的理論充分解釋了這一發現。該理論正確地描述了超導性的演化如何依賴於臨界溫度、磁場大小和方向、納米線截面面積以及納米線材料的微觀特徵。這是超導領域中首次在實驗室的真實物體上證實了理論QPT的所有細節。
該研究於2018年7月9日在《自然物理》雜誌上發表。
凝聚態物理學家通過兩種方式研究材料的變化——實驗物理學家開發材料在實驗室進行測試，理論物理學家開發數學方程來理解物理行為。
文章的高級作者、猶他大學的助理教授 Andrey Rogachev演示了低溫下對納米線施加磁場會扭轉其超導性。他能夠理解這個物理現象，但無法解釋在“臨界點”時是什麼導致了超導性消失。然而，這項工作啟發了年輕的理論物理學家、當時還是哈佛大學研究生的Adrian Del Maestro，後者提出了一個關於量子相變的完整理論。
在Del Maestro的“斷對”理論中，單電子不太可能撞到最小金屬絲的邊緣，因為即使是一根原子鏈也比一個電子大。但形成超導電子對的兩個電子可以相距很遠，而現在納米尺寸的導線使得它們更難一起運動。如果再加上一個強大的磁場，它能解開電子對，因此“電子無法形成超導狀態”。
“在描述電子在量子相變中的突現特性時，只有幾個關鍵要素——空間維度和超導性的存在——是必不可少的。” Del Maestro解釋道。
驗證Maestro的理論需要直徑小於20-30nm的一維納米線，因此MoGe合金納米線是整個研究的關鍵元素。文章作者之一的Hyunjeong Kim為團隊製造了寬度小於10nm的納米線。
Rogachev將納米線帶到了格勒諾布爾的奈爾研究所，該所的設備能夠將材料冷卻到50 mK，施加不同強度的磁場並測量導線的電阻。通過理論和實驗的結合，這個團隊解釋了電導率和幾何、磁場和臨界溫度之間的複雜關係，同時提出了量子臨界理論，這與實驗觀測非常吻合。
編譯：Coke 審稿：alone 編輯：程建蘭
來源：https://www.sciencedaily.com/releases/2018/07/180709111148.htm
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