“紫铜发现”揭示未来科技的“完美钥匙”

量子科学家在紫青铜中发现了一种现象，这可能是开发在绝缘体和超导体之间切换的量子器件中“完美开关”的关键。

由布里斯托大学进行的研究并发表于 科学这两种相反的电子态存在于紫青铜中，紫青铜是一种独特的一维金属，由单个导电原子链组成。

例如，由热或光等小刺激触发的材料的微小变化可能会触发从电导率为零的绝缘状态到电导率无限的超导体的瞬时转变，反之亦然。 这种偏振分集被称为“涌现对称性”，有可能在未来的量子技术发展中提供完美的开关。

该图像显示了新兴对称性的表现，显示了从冰层中出现的完美对称的水滴。 相比之下，雪中的冰晶形状复杂，因此不如水滴对称。 紫色表示发现这种现象的紫青铜材料。 图片来源：布里斯托大学

13年历程

主要作者 Nigel Hussey，英国大学物理学教授 布里斯托大学“这是一个非常令人兴奋的发现，可以为未来的量子设备提供完美的钥匙，”他说。

“这段迷人的旅程开始于 13 年前，在我的实验室，当时两名博士生徐晓峰和尼克·威克姆测量了紫青铜的磁阻——磁场引起的电阻变化。”

在没有磁场的情况下，紫青铜的电阻很大程度上取决于电流进入的方向。 它的温度依赖性也很复杂。 在室温下，电阻率是金属性的，但随着温度降低，这种情况会逆转，材料似乎变成绝缘体。 然后，在最低温度下，当它变​​成超导体时，电阻再次降低。 尽管如此复杂，磁阻却出奇地简单。 无论电流或场的排列方向如何，它本质上都是相同的，并且从室温到超导转变温度一直遵循完美的线性温度依赖性。

赫西教授表示：“对于这种令人费解的行为，我们无法找到连贯的解释，并且这些数据在接下来的七年里一直处于休眠状态且未发布。这样的差距在量子研究中并不常见，尽管其原因并不是缺乏统计数据。”解释道。

“磁响应的这种简单性总是掩盖着复杂的起源，事实证明，它的潜在解决方案只能通过偶然的相遇才能实现。”

一次偶然的邂逅，带来突破

2017年，赫西教授在拉德堡德大学工作时，看到了物理学家Piotr Chudzinski博士举办的关于紫青铜主题的研讨会的广告。 当时，很少有研究人员会花整个研讨会的时间来研究这种未知物质，因此他的兴趣被激起了。

赫西教授说：“在研讨会上，楚津斯基提出，高电阻可能是由传导电子和难以捉摸的复合粒子（称为‘暗激子’）之间的干扰引起的。我们在研讨会结束后聊天，并共同提出了一个实验来检验他的理论。我们的研究人员在研讨会上讨论了这一点。”随后的测量基本上证实了这一点。”

由于这一成功，赫西教授恢复了肖和韦克汉姆的磁阻数据并将其呈现给查津斯基博士。 数据的两个关键特征——与温度的线性关系以及与电流方向和磁场的独立性——引起了 Chudzinski 的兴趣，同样的材料可以根据材料的生长方式表现出绝缘和超导行为。

Chudzinski 博士想知道，他之前提出的电荷载流子和激子之间的相互作用是否会导致电荷载流子和激子之间的相互作用，而不是完全转变为绝缘状态，随着温度的降低，电荷载流子和激子之间的相互作用会导致前者向绝缘态和超导态之间的边界倾斜。 在相同的极限下，系统成为绝缘体或超导体的概率本质上是相同的。

赫西教授说：“这种物理对称性是一种不寻常的情况，随着温度降低，金属中出现这种对称性，因此‘涌现对称性’一词将是世界首创。”

物理学家非常熟悉对称破缺的现象：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这种对称性破缺的一个例子。 但相反的情况即使不是独一无二，也是极其罕见的。 回到水/冰的类比，就好像冰进一步冷却后，冰晶的复杂性“融化”回像水滴一样一致且光滑的东西。

涌现对称性：一种罕见的现象

现为贝尔法斯特女王大学研究员的查津斯基博士说：“想象一个魔术，将一个暗淡、扭曲的形状转变成一个美丽、完全对称的球体。简而言之，这就是新兴对称的本质。问题是我们的材料，紫青铜，而我们的魔法师则是大自然本身。”

为了进一步测试该理论是否包含水，另外 100 个单独的晶体，其中一些是绝缘的，另一些是超导的，由另一位在拉德堡德大学工作的博士生 Martin Berbin 进行了检查。

赫西教授补充道：“经过马丁的巨大努力，故事已经完成，不同晶体具有如此完全不同基态的原因也变得清晰起来。展望未来，也许有可能利用这种‘新奇’来创造开关量子电路中，小刺激会触发开关电阻的深度、大幅度变化。

参考文献：“莫特内斯边缘低维超导体中的新兴对称性”作者：P. Chudzinski、M. Berben、Xiaofeng Xu、N. Wakeham、B. Bernáth、C. Duffy、R. D. H. Hinlopen、Yu-Te Hsu、S. 魏德曼，B. Tinnemans，金荣英，M. 格林布拉特，N.E.赫西，2023 年 11 月 16 日， 科学。
doi：10.1126/science.abp8948