在夏季保持飲料冷飲的斗爭是經(jīng)典階段過渡的一個(gè)教訓(xùn)。要研究相變，對(duì)物質(zhì)施加熱量并觀察其性質(zhì)如何變化。加熱到水和所謂的“臨界點(diǎn)”，觀察它變成氣體(蒸汽)。從水中移除熱量并觀察它變成固體(冰)。

現(xiàn)在，想象一下，你已經(jīng)把所有東西都冷卻到很低的溫度 - 這么低，以至于所有的熱效應(yīng)都消失了。歡迎來到量子領(lǐng)域，壓力和磁場在稱為量子相變(QPT)的現(xiàn)象中引發(fā)新的階段。QPT不僅僅是從一個(gè)相到另一個(gè)相的簡單過渡，在某些材料中形成了全新的特性，例如超導(dǎo)性。

向超導(dǎo)金屬施加電壓，電子在沒有電阻的情況下穿過材料; 電流將永遠(yuǎn)流動(dòng)而不會(huì)減速或產(chǎn)生熱量。一些金屬在高溫下變成超導(dǎo)，這在電力傳輸和基于超導(dǎo)體的數(shù)據(jù)處理中具有重要的應(yīng)用。30年前科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，但超導(dǎo)機(jī)制仍然是一個(gè)謎，因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料太復(fù)雜，無法詳細(xì)了解QPT物理。一個(gè)好的策略是首先考慮不那么復(fù)雜的模型系統(tǒng)。

現(xiàn)在，猶他大學(xué)的物理學(xué)家和合作者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在低溫下增加的磁場中時(shí)，由MoGe合金制成的超導(dǎo)納米線經(jīng)歷從超導(dǎo)到正常金屬狀態(tài)的量子相變。該研究首次揭示了材料失去超導(dǎo)性的微觀過程; 磁場破壞了稱為Cooper對(duì)的電子對(duì)，它們與其他Cooper對(duì)相互作用并經(jīng)歷系統(tǒng)中存在的不成對(duì)電子的阻尼力。

佛蒙特大學(xué)副教授Adrian Del Maestro提出的批判理論充分解釋了這一發(fā)現(xiàn)。該理論正確地描述了超導(dǎo)的演化如何取決于臨界溫度，磁場強(qiáng)度和取向，納米線橫截面積以及納米線材料的微觀特征。這是超導(dǎo)領(lǐng)域中第一次通過理論預(yù)測的QPT的所有細(xì)節(jié)都在實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)際物體上得到證實(shí)。

“量子相變可能聽起來很奇特，但它們在許多系統(tǒng)中被觀察到，從恒星中心到原子核，從磁鐵到絕緣體，”U的副教授，該研究的高級(jí)作者Andrey Rogachev說。 。“通過理解這個(gè)簡單系統(tǒng)中的量子波動(dòng)，我們可以討論微觀過程的每個(gè)細(xì)節(jié)，并將其應(yīng)用于更復(fù)雜的物體。”

理論與實(shí)驗(yàn)相遇

凝聚態(tài)物理學(xué)家研究材料發(fā)生了什么，所有的熱量都以兩種方式去除 - 實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家開發(fā)材料在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試，而理論物理學(xué)家開發(fā)數(shù)學(xué)方程式來理解物理行為。這項(xiàng)研究講述了理論和實(shí)驗(yàn)如何相互促進(jìn)和激勵(lì)的故事。

作為一名博士后研究員，羅加喬夫表示，在低溫下對(duì)納米線施加磁場會(huì)使超導(dǎo)性失真。他理解在有限溫度下的效應(yīng)，但對(duì)于在超導(dǎo)性衰退的“臨界點(diǎn)”發(fā)生的情況卻沒有得出結(jié)論。然而，他的工作激發(fā)了當(dāng)時(shí)哈佛大學(xué)研究生年輕理論物理學(xué)家阿德里安德爾梅斯特羅(Adrian Del Maestro)的發(fā)展，他開發(fā)了一個(gè)關(guān)于量子相變的完整批判理論。

在Del Maestro的“雙斷”理論中，單個(gè)電子不太可能碰到最小線的邊緣，因?yàn)榧词箚蝹€(gè)原子束與電子的大小相比也很大。但是，Del Maestro說，“形成負(fù)責(zé)超導(dǎo)性的對(duì)的兩個(gè)電子可能相距很遠(yuǎn)，現(xiàn)在納米尺寸的電線使它們更難以一起行進(jìn)。” 然后添加一個(gè)強(qiáng)大的磁場，通過彎曲它們的路徑解開對(duì)，“電子不能合謀形成超導(dǎo)狀態(tài)，”Del Maestro說。

“想象一下，導(dǎo)線和磁場的邊緣就像一些摩擦力，使電子不想配對(duì)，”Del Maestro說。“物理學(xué)應(yīng)該是普遍的。” 這正是他的理論和新實(shí)驗(yàn)所表明的。

“在描述量子相變時(shí)電子的出現(xiàn)性質(zhì)時(shí)，只有少數(shù)關(guān)鍵成分 - 空間維度和超導(dǎo)性的存在 - 是必不可少的，”他說。十年前預(yù)測的電導(dǎo)率值Del Maestro的理論與新實(shí)驗(yàn)中測量的值之間的驚人一致為“量子通用性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”提供了強(qiáng)有力的標(biāo)準(zhǔn)，Del Maestro說，“并強(qiáng)調(diào)了基礎(chǔ)物理研究的重要性“。

最先進(jìn)的納米線

為了測試Del Maestro的理論，Rogachev需要幾乎一維的納米線，直徑小于20-30納米。

“在理論物理學(xué)中，一維系統(tǒng)起著非常特殊的作用，因?yàn)閷?duì)于他們來說，可以開發(fā)出精確的理論，”羅加喬夫說。“然而，一維系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)上很難處理。”

MoGe納米線是整個(gè)研究的關(guān)鍵要素。在他的博士后時(shí)代，羅加喬夫只能制造100納米長的電線，太短而無法測試關(guān)鍵制度。多年后，他和他的當(dāng)時(shí)學(xué)生Hyunjeong Kim(該研究的主要作者)對(duì)現(xiàn)有的電子束光刻方法進(jìn)行了改進(jìn)，以開發(fā)出最先進(jìn)的技術(shù)。

百分之九十九的物理學(xué)家使用稱為正電子束(電子束)光刻的方法創(chuàng)建納米結(jié)構(gòu)。它們將一束電子照射到電子敏感膜上，然后去除膜的暴露部分以產(chǎn)生所需的結(jié)構(gòu)。更少的物理學(xué)家使用負(fù)電子束光刻，其中他們用電子束繪制它們的結(jié)構(gòu)但是去除所有未曝光的膠片。這是Kim購買最先進(jìn)的制造寬度低于10納米的薄納米線的方法。

“這不僅僅是我們制造它們，而是我們可以衡量它們，”羅加喬夫說。“許多人制作的是非常小的顆粒，但要真正能夠看到這些導(dǎo)線上的傳輸，就像開發(fā)一種新技術(shù)一樣。”

為了測試量子相變，Rogachev將電線帶到了格勒諾布爾的研究所的BenjaminSacépé和FrédéricGay，他們的設(shè)施能夠?qū)⒉牧侠鋮s到50毫凱因，施加各種強(qiáng)度的磁場并測量電線的阻力來描述超導(dǎo)性如何破壞。法國合作者在該組中增加了多年精密傳輸測量，噪聲抑制技術(shù)和二維超導(dǎo)體量子物理方面的專業(yè)知識(shí)。

“經(jīng)過數(shù)十年的深入研究，我們還遠(yuǎn)未完全理解超導(dǎo)性”，美國國家科學(xué)基金會(huì)凝聚態(tài)物理項(xiàng)目主任Tomasz Durakiewicz說，該項(xiàng)目共同資助了這項(xiàng)工作。“這些結(jié)果通過緊密連接納米線的有形物理世界和量子尺度上發(fā)生的場驅(qū)動(dòng)相變來顯著推進(jìn)該領(lǐng)域。通過合并理論和實(shí)驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)能夠解釋電導(dǎo)率和幾何之間的復(fù)雜關(guān)系，磁場和臨界溫度，同時(shí)提出了與實(shí)驗(yàn)觀察非常一致的量子臨界理論。“

將它帶到更高的溫度

羅加喬夫現(xiàn)在準(zhǔn)備測試由銅酸鹽制成的納米線。銅酸鹽在磁態(tài)和正常態(tài)之間具有量子相變，在臨界點(diǎn)，存在量子漲落，根據(jù)幾種理論，它們促進(jìn)了超導(dǎo)性的出現(xiàn)。銅酸鹽通常被稱為高溫超導(dǎo)體，因?yàn)樗鼈冊?0-155K的創(chuàng)紀(jì)錄高溫下進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，與MoGe合金在3-7K的相當(dāng)小的臨界溫度形成對(duì)比.Rogachev想制造從銅酸鹽中導(dǎo)線，了解高溫超導(dǎo)的微觀機(jī)理。

他想與格勒諾布爾的合作者一起探索的另一條途徑是超導(dǎo)薄膜的量子相變。

“現(xiàn)在我們已經(jīng)解決了這個(gè)特定的物理問題，我們可以轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的對(duì)象，我們基本上不知道到底發(fā)生了什么，”他說。