超导理论的验证：库珀对在 Kagome 金属中呈现波状分布

Josiah01

维尔茨堡物理学团队提出的超导理论已在国际实验中得到验证，该实验表明，库珀对在 Kagome 金属中呈现波状分布。这一发现将使超导二极管等新技术应用成为可能。
大约 15 年来，Kagome 材料以其星形结构吸引着全球研究人员，这种结构让人联想到日本的篮筐图案。直到 2018 年，科学家才能够在实验室中合成具有这种结构的金属化合物。
由于其独特的晶体几何形状，Kagome金属结合了独特的电子、磁性和超导特性，使其在未来的量子技术中大有可为。
维尔茨堡-德累斯顿卓越集群 ct.qmat—量子物质的复杂性和拓扑学的 Ronny Thomale 教授、维尔茨堡大学 (JMU) 理论物理学系主任通过他早期的理论预测为此类材料提供了关键见解。
《自然》杂志发表的最新研究结果表明，这些材料可以制成新型电子元件，例如超导二极管。
Kagome 超导体震撼科学界
在 2023 年 2 月 16 日发表在预印本服务器arXiv上的一篇论文中，Thomale 教授的团队提出，Kagome 金属中可能表现出一种独特的超导性，库珀对以波浪状分布在亚晶格内。每个“星点”包含不同数量的库珀对。该论文现已发表在《物理评论 B》上。
如今，托马勒的理论首次在国际实验中得到直接证实，引起全球轰动。这推翻了早先关于卡戈米金属只能存在均匀分布的库珀对的假设。
库珀对（以物理学家利昂·库珀命名）是由电子对在极低温度下形成的，对超导性至关重要。它们共同作用可以创造量子态，也可以无阻力地穿过 Kagome 超导体。
Thomale 解释道：“最初，我们对钾钒锑（KV3Sb5）等 Kagome 金属的研究集中于单个电子的量子效应，这些电子虽然不具有超导性，但可以在材料中表现出波状行为。”
“两年前，我们通过检测电荷密度波，通过实验证实了我们关于电子行为的初步理论，之后我们试图在超低温下寻找额外的量子现象。这导致了 Kagome 超导体的发现。然而，全球对 Kagome 材料的物理研究仍处于起步阶段，”Thomale 指出。
传递波动
“量子物理学对密度对波现象很熟悉，这是超导凝聚态的一种特殊形式。我们从烹饪中都知道，当蒸汽冷却时，它会凝结成液体。
“类似的事情也发生在 Kagome 金属中。在约 -193°C 的超低温下，电子在材料中重新排列并以波的形式分布。自从发现电荷密度波以来，人们就知道这一点，”博士生 Hendrik Hohmann 解释说，他与同事 Matteo Dürrnagel 一起为理论工作做出了重要贡献。
“当温度降至-272°（几乎绝对零度）时，电子会成对结合在一起。这些库珀对会凝结成量子流体，并以波的形式在材料中传播，从而实现无电阻超导。因此，这种波状分布会从电子传输到库珀对。”
之前对 Kagome 金属的研究已经证明了超导性和库珀对的空间分布。令人惊讶的新发现是，这些库珀对不仅可以均匀分布，还可以在原子亚晶格内呈波浪状分布，这种现象被称为“亚晶格调制超导”。
Dürrnagel 补充道：“KV 3 Sb 5中对密度波的存在最终归因于超导温度以上 80° 的波状电子分布。这种量子效应的结合具有巨大的潜力。”
ct.qmat 研究人员目前正在寻找 Kagome 金属，其中库珀对表现出空间调制，而超导性之前不会出现电荷密度波。有希望的候选者已经在研究中。
诺贝尔奖得主约瑟夫森效应带来突破
该实验由中国深圳南方科技大学的尹家欣开发，开创性地直接探测了 Kagome 金属中呈波浪状分布的库珀对。它利用了配备超导尖端的扫描隧道显微镜，能够直接观察库珀对。
该尖端的设计以诺贝尔奖得主约瑟夫森效应为基础，尖端末端为单个原子。超导电流在显微镜尖端和样品之间通过，从而可以直接测量库珀对的分布。
“目前的发现是迈向节能量子器件的又一个里程碑。虽然这些效应目前只能在原子层面观察到，但一旦 Kagome 超导性在宏观尺度上实现，新型超导元件将变得可行。这就是我们基础研究的动力，”Thomale 教授表示。
前景
虽然世界上最长的超导电缆已在慕尼黑铺设完毕，但超导电子元件的研究仍在进行中。第一个超导二极管已经在实验室中开发出来，但它们依赖于不同超导材料的组合。
相比之下，独特的 Kagome 超导体具有库珀对的固有空间调制，本身可充当二极管，为超导电子学和无损电路提供了令人兴奋的可能性。