超導中庫珀對實現原子級精度測量

超導體和尖銳金屬尖端原子之間的安德烈夫反射示意圖。

圖片來源：阿爾託大學/何塞·拉多 

超導是由稱為庫珀對的特殊連接的電子對引起的。到目前為止，庫珀對的出現已被宏觀地間接測量，但芬蘭阿爾託大學和美國橡樹嶺國家實驗室研究人員開發的一項新技術能以原子精度檢測它們的出現。相關研究發表在最新一期《奈米快報》雜誌上。

電子可通過量子隧道穿越能壘，以經典物理學無法解釋的方式通過空間，從一個系統跳到另一個系統。例如，如果一個電子在金屬和超導體相遇的點與另一個電子配對，它可形成進入超導體的庫珀對，同時在一個稱為安德烈夫的過程中將另一種粒子“反衝”到金屬中反射。

研究人員通過尋找這些安德烈夫反射來檢測庫珀對。為此，他們測量了原子級尖銳金屬尖端和超導體之間的電流，以及電流與尖端和超導體之間分離的關係。這使他們能檢測返回到超導體的安德烈夫反射量，同時保持與單個原子相當的成像解析度。實驗結果完全符合理論模型。

這種在原子尺度上對庫珀對的實驗檢測，為理解量子材料提供了一種全新的方法。研究人員第一次可獨特地確定庫珀對的波函數如何在原子尺度上重建，以及它們如何與原子尺度的雜質和其他障礙物相互作用。

這將使研究人員能解決量子材料中的各種開放問題。其中，“非常規超導體”是量子電腦的潛在基礎構件，可提供在室溫下實現超導的平臺，而庫珀對在“非常規超導體”中具有獨特的內部結構。

新發現允許研究人員直接探測“非常規超導體”中庫珀對的狀態。它代表對量子材料的理解向前邁出重要一步，並有助於推動量子技術的開發。

【總編輯圈點】

庫珀，安德烈夫，奇特的物理現象，陌生的人名，讓這研究對普通人來説更多了點理解障礙。還好，超導體，我們並不陌生。它電阻接近零，但通常需要在極低溫度下展現這種特性。庫珀對是描述低溫下一對電子（或其他費米子）以某種方式束縛在一起的理論。迄今為止，庫珀對的出現是通過宏觀方式間接測量的，本文介紹的方法，能以原子級的精度檢測它們的出現。這一發現使研究人員能夠直接探測非常規超導體中庫珀對的狀態，大大增進科學界對量子材料的理解。