新型超導體像叁明治:表面零電阻 內藏…
近期，物理學家發現新型超導體“鉑鉍贰”內部隱藏著壹個人們前所未見的電子世界。這種材料的表面具有超導性，允許電子以零電阻通過，而內部是普通金屬狀態。令物理學家感到更奇特的是，表面電子配對模式打破了所有已知的超導物理規則，且有望推進量子科學領域。
德國萊布尼茨固體與材料研究所（IFW Dresden）與多國科學家合作，共同發現這種閃亮的灰色晶體“鉑鉍贰”（PtBi₂）超導體存在令人意想不到的特性，有望成為量子電腦與量子技術的新平台，並推動未來的量子科學領域。這項研究發表在《自然》（Nature）科學期刊上。
雖然科學家在2024年已經發現“鉑鉍贰”的表面具有超導特性，但最新的深入研究揭示了其表面電子的配對方式與當前已知的超導體截然不同。傳統的銅氧化物高溫超導體多表現出“d波”（肆重對稱性），而“鉑鉍贰”則是首個被證實具有“i波”（六重對稱性）的超導體。
研究團隊指出，“鉑鉍贰”的異常源於其特殊的拓樸性質（即物質在空間連續變形下保持不變的幾何性質）。這使得某些電子被嚴格限制在晶體的上下表面。“鉑鉍贰”的這種拓樸保護非常穩定，除非改變晶體結構或施加強磁場，否則電子狀態難以被破壞。
“鉑鉍贰”的獨特之處在於它的晶體無論大小如何，其表面束縛的電子始終與裡面的電子相匹配。如果將晶體切成兩半，新暴露的表面會立即形成相同的束縛電子。
另外，在低溫下“鉑鉍贰”表面電子開始配對，且能無阻力地移動。不過，該材料內部的電子不會參與配對，仍然表現得像普通電子壹樣。研究人員將這種結構形容成“天然的超導叁明治”結構，外層表面有極佳導電性，內部只是普通金屬。
更令研究人員感到驚奇的是，這些超導表面邊緣存在難以捉摸的天然“馬約拉納粒子”。這些粒子被視為建構未來容錯量子位元（qubit）的理想材料。
“馬約拉納粒子”主要是成對出現，共同表現得像壹個電子，若將它們分開，能用於抵抗環境雜訊，這是“拓樸量子運算”的核心關鍵。“拓樸量子運算”旨在創建具有更強抵抗力的量子位元，以此應對雜訊和錯誤。
由於“鉑鉍贰”的異常超導電性、邊緣束縛的馬約拉納粒子已被發現，研究人員正致力於控制這些效應，因為這些是利用“鉑鉍贰”作為未來量子技術平台的重要步驟。
其中壹種策略是改變材料厚度制成超薄樣品，讓材料從導電金屬轉變為絕緣體，減少內部普通電子幹擾馬約拉納粒子；另壹種方法是施加磁場，讓馬約拉納粒子從晶體邊緣移動到晶體角落。
量子計算機示意圖。德國科學家發現新型的超導體“鉑鉍贰”有望為量子運算提供新平台，且成為拓樸量子運算之中的核心關鍵。(Shutterstock)
研究團隊提到，目前認為少數材料具有拓樸超導性（topological superconductor, TSC），但這些材料尚未得到強有力的實驗證據支持，只有“鉑鉍贰”是實際的拓樸超導體。因此，該研究也證實了“鉑鉍贰”為生產馬約拉納粒子提供了壹種新的實用途徑，而馬約拉納粒子壹直是凝聚態物理領域長期以來所追求的目標。
論文作者、德國德勒斯登萊布尼茨固體與材料研究所的謝爾蓋‧鮑裡（Sergey Borisenko）博士對該研究所的新聞室表示，“‘鉑鉍贰’是壹種拓撲超導體，它表面超導性的電子配對方式與我們先前認識的超導體都不同。不過，我們目前還不了解這種配對是如何產生的。”
IFW理論固體物理研究所所長傑羅恩‧范登布林克（Jeroen van den Brink）則補充表示，“理論計算顯示，‘鉑鉍贰’的拓撲超導性會自動產生馬約拉納粒子，而它們束縛在材料的邊緣。實際上，我們可以在晶體中人為地制造台階邊緣，獲得任何想要的馬約拉納粒子。”
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好新聞沒人評論怎麼行，我來說幾句
德國萊布尼茨固體與材料研究所（IFW Dresden）與多國科學家合作，共同發現這種閃亮的灰色晶體“鉑鉍贰”（PtBi₂）超導體存在令人意想不到的特性，有望成為量子電腦與量子技術的新平台，並推動未來的量子科學領域。這項研究發表在《自然》（Nature）科學期刊上。
雖然科學家在2024年已經發現“鉑鉍贰”的表面具有超導特性，但最新的深入研究揭示了其表面電子的配對方式與當前已知的超導體截然不同。傳統的銅氧化物高溫超導體多表現出“d波”（肆重對稱性），而“鉑鉍贰”則是首個被證實具有“i波”（六重對稱性）的超導體。
研究團隊指出，“鉑鉍贰”的異常源於其特殊的拓樸性質（即物質在空間連續變形下保持不變的幾何性質）。這使得某些電子被嚴格限制在晶體的上下表面。“鉑鉍贰”的這種拓樸保護非常穩定，除非改變晶體結構或施加強磁場，否則電子狀態難以被破壞。
“鉑鉍贰”的獨特之處在於它的晶體無論大小如何，其表面束縛的電子始終與裡面的電子相匹配。如果將晶體切成兩半，新暴露的表面會立即形成相同的束縛電子。
另外，在低溫下“鉑鉍贰”表面電子開始配對，且能無阻力地移動。不過，該材料內部的電子不會參與配對，仍然表現得像普通電子壹樣。研究人員將這種結構形容成“天然的超導叁明治”結構，外層表面有極佳導電性，內部只是普通金屬。
更令研究人員感到驚奇的是，這些超導表面邊緣存在難以捉摸的天然“馬約拉納粒子”。這些粒子被視為建構未來容錯量子位元（qubit）的理想材料。
“馬約拉納粒子”主要是成對出現，共同表現得像壹個電子，若將它們分開，能用於抵抗環境雜訊，這是“拓樸量子運算”的核心關鍵。“拓樸量子運算”旨在創建具有更強抵抗力的量子位元，以此應對雜訊和錯誤。
由於“鉑鉍贰”的異常超導電性、邊緣束縛的馬約拉納粒子已被發現，研究人員正致力於控制這些效應，因為這些是利用“鉑鉍贰”作為未來量子技術平台的重要步驟。
其中壹種策略是改變材料厚度制成超薄樣品，讓材料從導電金屬轉變為絕緣體，減少內部普通電子幹擾馬約拉納粒子；另壹種方法是施加磁場，讓馬約拉納粒子從晶體邊緣移動到晶體角落。
量子計算機示意圖。德國科學家發現新型的超導體“鉑鉍贰”有望為量子運算提供新平台，且成為拓樸量子運算之中的核心關鍵。(Shutterstock)
研究團隊提到，目前認為少數材料具有拓樸超導性（topological superconductor, TSC），但這些材料尚未得到強有力的實驗證據支持，只有“鉑鉍贰”是實際的拓樸超導體。因此，該研究也證實了“鉑鉍贰”為生產馬約拉納粒子提供了壹種新的實用途徑，而馬約拉納粒子壹直是凝聚態物理領域長期以來所追求的目標。
論文作者、德國德勒斯登萊布尼茨固體與材料研究所的謝爾蓋‧鮑裡（Sergey Borisenko）博士對該研究所的新聞室表示，“‘鉑鉍贰’是壹種拓撲超導體，它表面超導性的電子配對方式與我們先前認識的超導體都不同。不過，我們目前還不了解這種配對是如何產生的。”
IFW理論固體物理研究所所長傑羅恩‧范登布林克（Jeroen van den Brink）則補充表示，“理論計算顯示，‘鉑鉍贰’的拓撲超導性會自動產生馬約拉納粒子，而它們束縛在材料的邊緣。實際上，我們可以在晶體中人為地制造台階邊緣，獲得任何想要的馬約拉納粒子。”
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