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二维电子气新型超导或将来自二维电子气

2019-03-11 00:01:32

新型超导或将来自二维电子气

作者:常丽君 来源:科技

新型超导或将来自二维电子气

科技讯 (常丽君)真正的二维物质具有量子效应和其它奇特现象,如一个原子厚的碳原子层石墨烯,具有独特的力学、电学和光学属性。还有一种二维电子气(2DEG),是平面电子集合,位于特殊半导体(如砷化镓)间的接口,具有量子霍尔效应、自旋霍尔效应等现象。

据物理学家组织9月10日(北京时间)报道,对平面电子集合二维物质的研究还相对较新,准确地说,这种电子集合是一种二维液体,一般在过渡金属氧化物(TMO)材料表面,电子密度很高,产生的相互作用比内部更强。而且其用途广泛,具有绝缘、导电、半导、超导甚至铁磁的性质。科学家希望在这种高密度、高相互作用的电子环境下能产生某些特异现象。

近,美国马里兰大学物理学副教授、联合量子研究所(JQI)成员詹姆斯威廉姆在研究一种叫做钛酸锶(STO)的TMO材料的性质时,发现它同时具有超导和铁磁性,改变其电子密度就能从一种性质转化为另一种。相关论文发表在近日出版的《自然物理学》杂志上。

在实验中,研究人员想看看超导电流在超导STO薄片之间的狭窄通道是怎样流动的。这种通道非常微小,跟人们认为的电子波大小差不多,由此可能出现量子效应。改变门电压,可以控制通道开口大小和通过门栅流到另一边的电流。

在低电压下(密度小于81012电子/平方厘米),门栅仍是绝缘的,几乎没有电流;在中等电压和密度下,出现了量子隧穿,某些电子对可以到另一边去;在高电压和更高密度下(约51013电子/平方厘米,比目前大部分FETs大100倍),微导区会实体化,当这些区连接起来跨越门栅时,就形成了高效隧道,使超导电流自由通过。超导电流的电子并非单个地运动,而是以弱耦合形式形成配对,称为库珀对,两个电子自旋方向相反。但这种量子超导只在特定范围才会发生。

根据电流与门电压之间的关系,电子流通过微小通道时,其自旋自由度被打破,就像磁铁中的电子没有方向自由,却能协调排列一样。高电子密度和强势电子的相互作用,这在其它材料上是没有的,可能产生了某类新型电子传输。

研究人员推测,这种性质与一种新型超导相符,称为P-波超导,但还需要更多研究来证明。而传统超导是S-波超导,由库珀对构成了零电阻电流,在形状上是球形的。而P-波超导,电子对更像一个小哑铃。虽然人们尚未确切看到P-波超导,因为要构建电子对的形状非常困难,但本研究仍有重要意义。

总圈点

现在对超导材料的研究,多是先通过理论进行推测,然后对可能的材料进行一一实验来找到合适的组合,成功常常需要碰运气。

二维电子气新型超导或将来自二维电子气

只有对超导理论有更深入的理解,对微观物质的运动规律即量子理论有更深刻的认识,才能更高效的寻找实用的超导材料。本研究是否发现了科学家努力寻找的P-波超导,现在还不得而知,但作为一个新现象,以及对这个现象的解释,都将加深我们对超导态电子配对机制的理解,对整个超导学领域会有重大意义。

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