哈佛大学推出高温超导体的创新方法

该制造方法可以方便材料检测。

• 由 Philip Kim 领导的哈佛团队利用铜制造高温超导体。
• 开发出世界上第一个先进的超导二极管 定量统计。
• 在 BSCCO 展示定向超电流和量子态控制。

几十年来，超导体一直引起物理学家的兴趣。 但这些允许电子流完美且无损失地流动的材料通常仅在非常低的温度（高几度）下才表现出量子力学的这种特性 绝对零度 – 使其变得不切实际。

由哈佛大学物理学和应用物理学教授 Philip Kim 领导的研究小组展示了一种制造和操纵一类被广泛研究的高温超导体（称为铜酸盐）的新策略，为在从未有过的地方设计新的、不寻常的超导形式铺平了道路。以前，以前是不可能实现的。 材料。

Kim 和他的团队使用独特的方法制造低温器件，并在期刊上撰写了他们的报告 科学 世界上第一个高温超导二极管（本质上是一种使电流沿一个方向流动的开关）的一个有希望的候选者是由薄铜晶体制成的。 理论上，这种设备可以推动量子计算等新兴产业的发展，因为量子计算依赖于难以维持的瞬态机械现象。

扭曲堆叠铜超导体的图形表示，并附有背景数据。 摄影：Lucy Yip、Yoshi Saito、Alex Cui、Frank Chow

“高温超导二极管实际上是可能的，无需施加磁场，并为研究奇异材料打开了新的研究大门，”金说。

铜酸盐是铜的氧化物，几十年前它就彻底颠覆了物理学世界，它表明它们在比理论学家想象的高得多的温度下变得超导，而“更高”是一个相对术语（铜超导体的当前记录是-225） 。 F）。 但由于这些材料复杂的电子和结构特性，在不破坏其超导相的情况下操纵这些材料非常复杂。

SY团队的实验由弗兰克·赵领导，他曾是格里芬艺术与科学研究生院的学生，现在是格里芬的博士后研究员。 麻省理工学院。 赵利用高纯度氩气中的无空气低温晶体加工方法，设计了两层极薄的铜、钙、铋和锶氧化物层之间的干净界面，绰号为 BSCCO（“bisco”）。 BSCCO 被认为是一种“高温”超导体，因为它在大约 288 华氏度时开始超导——以实际标准来看非常冷，但在超导体中却出人意料地高，通常必须冷却到大约 -400 华氏度。

赵首先将 BSCCO 分为两层，每层的宽度为人类头发的千分之一。 然后，在 -130 度的温度下，他以 45 度角堆叠两层，就像芯片未对准的冰淇淋三明治一样，同时保留脆性界面处的超导性。

研究小组发现，在没有阻力的情况下可以通过界面的最大超电流随电流方向的变化而变化。 至关重要的是，该团队还展示了通过反转这种极性对界面量子态进行电子控制。 正是这种控制实际上使他们能够制造出高温可开关超导二极管，这是基础物理的演示，有朝一日可以被纳入一项计算技术，例如量子位。

“这是研究拓扑相的一个起点，拓扑相的特点是不受缺陷影响的量子态，”赵说。

参考文献：“时间反转对称性打破扭曲铜超导体之间的超导性”作者：SY Frank Zhu、Xiaomeng Cui、Pavel A. Volkov、Hyobin Yoo、Sangmin Lee、Jules A. Gardener、Austin J. Akey、Rebecca Engelke、Yuval Ronen、Ruidan Chung , Jinda Guo、Stefan Plug、Taron Tomorrow、Myung Kim、Marcel Franz、Jedediah H. Pixley、Nicola Buccia 和 Philip Kim，2023 年 12 月 7 日， 科学。
doi：10.1126/science.abl8371

哈佛团队与不列颠哥伦比亚大学的马塞尔·弗朗茨和罗格斯大学的杰德·皮克斯利合作，他们的团队此前曾进行过严格的理论计算。 而他期望 A 中铜超导体的行为 大范围 从扭转角来看。 协调实验观察结果还需要新的理论发展，由 Pavel A. 康涅狄格大学的沃尔科夫。

该研究得到了国家科学基金会、国防部和能源部的部分支持。