超导突破：科学家发现量子物质的新状态

超导突破：科学家发现量子物质的新状态这种"自旋三重电子对晶体"是一种以前未知的拓扑量子物质状态。这一发现最近发表在《自然》杂志上。顾强强是在文理学院詹姆斯-吉尔伯特-怀特杰出荣誉教授、物理学家J.C.SéamusDavis实验室工作的博士后研究员，他与科克大学学院的乔-卡罗尔和牛津大学的王树秋共同领导了这项研究。当配对电势呈现奇奇偶性时，超导体就是拓扑超导体，这会导致每个电子对采用自旋三重态，两个电子自旋的方向相同。顾强强介绍说，拓扑超导体是物理学家们热衷研究的对象，因为从理论上讲，它们可以构成超稳定量子计算机的材料平台。然而，即使对拓扑超导进行了长达十年的深入研究，除了同样在康奈尔大学发现的超流体3He之外，还没有任何块体材料被明确认定为自旋三奇偶超导体。最近，一种奇特的新材料--二碲化铀（UTe2）成为这种分类的极有希望的候选者。然而，它的超导阶参数仍然难以捉摸。2021年，理论物理学家开始提出，UTe2实际上处于拓扑对密度波（PDW）状态。此前从未探测到过这种形式的量子物质。简单地说，拓扑对密度波就像超导体中的成对电子的静态舞蹈，但这些成对电子在空间中形成周期性的晶体图案。"我们康奈尔大学的团队在2016年利用我们为此发明的超导尖端扫描约瑟夫森隧穿显微镜发现了有史以来观测到的第一个PDW，"顾说。"从那时起，我们开创了在毫开尔文温度和微伏能量分辨率下的SJTM研究。在UTe2项目中，我们直接观察到了超导配对势在原子尺度上的空间调制，并发现它们的调制完全符合PDW状态下电子对密度在空间周期性调制的预测。我们探测到的是一种新的量子物质态--由自旋-三重库珀对组成的拓扑对密度波"。库珀对密度波是电子量子物质的一种形式，其中电子对凝固成超导PDW态，而不是形成传统的"超导"流体，在这种流体中，所有电子对都处于相同的自由运动状态。顾强强说："在自旋三重超导体中首次发现PDW令人兴奋。铀基重费米子超导化合物是一类新颖奇特的材料，为实现拓扑超导提供了一个前景广阔的平台。......我们的科学发现还指出了这种有趣的量子态在s波、d波和p波超导体中无处不在的性质，并为在广泛的材料中识别这种状态提供了新的途径。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380305.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380305.htm

斯坦福大学研究团队改进了基于铌的量子比特 使其与领先的替代品相媲美

斯坦福大学研究团队改进了基于铌的量子比特使其与领先的替代品相媲美在过去的15年里，铌作为核心量子比特材料经历了几次平淡无奇的打击之后，就一直坐冷板凳。铌因其作为超导体的卓越品质而备受推崇，一直是量子技术的理想候选材料。然而，科学家们发现铌难以作为核心量子比特元件进行工程设计，因此它被降级为超导量子比特团队的第二根弦。现在，斯坦福大学大卫-舒斯特（DavidSchuster）领导的研究小组展示了一种制造铌基量子比特的方法，这种量子比特可与同类最先进的量子比特相媲美。芝加哥大学物理科学部的亚历山大-安费洛夫（AlexanderAnferov）是这项成果的主要科学家之一。该团队的研究成果发表在《物理应用评论》（PhysicalReviewApplied）上，并得到了美国能源部阿贡国家实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心Q-NEXT的部分支持。通过利用铌的突出特性，科学家们将能够扩展量子计算机、网络和传感器的功能。这些量子技术利用量子物理学来处理信息，其处理方式超越了传统技术，有望改善医疗、金融和通信等各个领域。约瑟夫森结是超导比特的信息处理核心。图为斯坦福大学的大卫-舒斯特及其团队设计的铌约瑟夫森结。他们的结设计使铌重新成为核心比特材料的可行选择。图片来源：AlexanderAnferov/芝加哥大学普利兹克纳米加工设施铌的优势说到超导量子比特，铝一直独占鳌头。铝基超导量子比特可以在数据不可避免地瓦解之前存储相对较长的信息。这些较长的相干时间意味着有更多的时间来处理信息。铝基超导量子比特的最长相干时间为几亿分之一秒。相比之下，近年来，最好的铌基量子比特的相干时间要短100倍--几千亿分之一秒。尽管量子比特的寿命很短，但铌仍具有吸引力。铌基量子比特能在比铝基量子比特更高的温度下工作，因此需要的冷却更少。与铝基量子比特相比，铌基量子比特的工作频率范围是铝基量子比特的八倍，工作磁场范围是铝基量子比特的18000倍，从而扩大了超导量子比特家族的应用范围。在一个方面，两种材料之间没有竞争：铌的工作范围超过了铝。但多年来，由于相干时间较短，铌基量子比特一直未能问世。"没有人真正用铌结制造出那么多的量子比特，因为它们受到相干性的限制，"安费洛夫说。但我们小组希望制造一种能在更高温度和更大频率范围（1K和100千兆赫）下工作的量子比特。而对于这两种特性来说，铝是不够的。我们需要别的东西。"于是，研究小组再次对铌进行了研究。具体来说，他们研究了铌约瑟夫森结。约瑟夫森结是超导四比特的信息处理核心。在经典信息处理中，数据以比特形式存在，要么是0，要么是1。在量子信息处理中，量子比特是0和1的混合物。超导量子比特的信息作为0和1的混合物"存活"在结内。超导结在这种混合状态下维持信息的时间越长，超导结和量子位就越好。约瑟夫森结的结构就像三明治，由挤在两层超导金属之间的一层不导电材料组成。导体是一种易于电流通过的材料。超导体则更胜一筹：它能以零电阻传输电流。在混合量子态下，电磁能在结点外层之间流动。典型的、值得信赖的铝约瑟夫森结由两层铝和中间一层氧化铝组成。典型的铌结由两层铌和中间一层氧化铌组成。舒斯特研究小组发现，连接处的氧化铌层消耗了维持量子态所需的能量。他们还发现，铌结的支撑结构是能量损失的主要来源，导致量子比特的量子态消失。研究小组的突破涉及新的结点排列和新的制造技术。新的安排需要一个熟悉的朋友：铝。这种设计摒弃了耗能的氧化铌。它不再使用两种不同的材料，而是使用了三种。这样就形成了一个低损耗的三层结--铌、铝、氧化铝、铝、铌。"我们采用了这种两全其美的方法，"安费洛夫说。"铝薄层可以继承附近铌的超导特性。这样，我们既能利用铝的成熟化学特性，又能拥有铌的超导特性"。该研究小组的制造技术包括移除以前方案中支撑铌结的支架。他们找到了一种方法，既能保持结的结构，又能去除在以前的设计中妨碍相干性的会导致损耗的多余材料。安费洛夫说："事实证明，扔掉垃圾是有帮助的。"一个新的量子位诞生了舒斯特研究小组将他们的新结点纳入超导量子比特后，相干时间达到了6200万分之一秒，比性能最好的铌基量子比特长150倍。这种量子比特的品质因数--量子比特存储能量的指数--也达到了2.57x105，比以前的铌基量子比特提高了100倍，与铝基量子比特的品质因数相比也不遑多让。安费洛夫说："我们制造的这种结仍然具有铌的优良特性，而且我们改进了结的损耗特性。我们可以直接超越任何铝制量子比特，因为铝在很多方面都是一种劣质材料。我现在有了一种在更高温度下不会死亡的量子比特，这是最大的亮点。"这些成果很可能会提升铌在超导量子比特材料中的地位。舒斯特说："这是很有希望的首次尝试，因为铌结复活了。铌基量子比特具有广泛的操作范围，我们为未来的量子技术开辟了全新的能力"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421395.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421395.htm

科学家发现第一种存在于自然界的非常规超导体：密硫铑矿

科学家发现第一种存在于自然界的非常规超导体：密硫铑矿保罗-坎菲尔德（PaulCanfield）培育的密硫铑矿晶体图片。资料来源：美国能源部埃姆斯国家实验室研究小组对密硫铑矿的研究发现，它是一种非常规超导体，具有与高温超导体类似的特性。他们的发现进一步加深了科学家们对这种超导性的理解，这可能会在未来带来更可持续、更经济的基于超导体的技术。超导电性是指材料能够导电而不损失能量。超导体的应用领域包括医疗核磁共振成像仪、电力电缆和量子计算机。传统的超导体很好理解，但临界温度较低。临界温度是一种材料成为超导体的最高温度。20世纪80年代，科学家发现了非常规超导体，其中许多的临界温度要高得多。据艾姆斯实验室的科学家鲁斯兰-普罗佐罗夫（RuslanProzorov）称，所有这些材料都是在实验室中培育出来的。这一事实使人们普遍认为，非常规超导并非自然现象。普罗佐罗夫解释说，很难在自然界中找到超导体，因为大多数超导元素和化合物都是金属，容易与氧气等其他元素发生反应。密硫铑矿（Rh17S15）是一种有趣的矿物，原因有几个，其中之一就是它复杂的化学式。直觉上，我们会认为这是在集中搜索过程中刻意制造出来的东西，不可能存在于自然界中。爱荷华州立大学物理和天文学特聘教授、艾姆斯实验室科学家保罗-坎菲尔德（PaulCanfield）在新型晶体材料的设计、发现、生长和表征方面拥有丰富的专业知识。他为这个项目合成了高质量的密硫铑矿晶体。坎菲尔德说："虽然密硫铑矿是在俄罗斯车里雅宾斯克州米亚斯河附近发现的一种矿物，但它是一种罕见的矿物，一般不会生长出形态良好的晶体。"密硫铑矿晶体是发现结合了高熔点元素（如Rh）和挥发性元素（如S）的化合物的更大努力的一部分。坎菲尔德说："与纯元素的性质相反，我们一直在掌握这些元素混合物的使用方法，使晶体能够在蒸汽压最小的情况下低温生长。这就像发现了一个隐藏的钓鱼洞，里面有很多大鱼。在Rh-S系统中，我们发现了三种新的超导体。而且，通过鲁斯兰的详细测量，我们发现密硫铑矿是一种非常规超导体。"研究小组专门研究低温超导体的先进技术。材料需要低至50毫开尔文，也就是约华氏零下460度。普罗佐罗夫的团队使用了三种不同的测试来确定密硫铑矿的超导性质。主要测试称为"伦敦穿透深度"。它确定了弱磁场从表面穿透超导体体的距离。在传统超导体中，这一长度在低温下基本保持不变。然而，在非常规超导体中，它随温度呈线性变化。这项测试表明，密硫铑矿具有非常规超导体的特性。研究小组进行的另一项测试是在材料中引入缺陷。这项测试是他的团队在过去十年中采用的一项标志性技术。它包括用高能电子轰击材料。在这个过程中，离子会被击离它们的位置，从而在晶体结构中产生缺陷。这种无序会导致材料临界温度的变化。传统超导体对非磁性无序并不敏感，因此这种测试将显示临界温度没有变化或变化很小。非常规超导体对无序非常敏感，引入缺陷会改变或抑制临界温度。它还会影响材料的临界磁场。研究小组发现，在密硫铑矿中，临界温度和临界磁场的表现与非常规超导体的预测一致。对非常规超导体的研究提高了科学家对其工作原理的理解。普罗佐罗夫解释说，这一点非常重要，因为"揭示非常规超导背后的机制是超导体经济合理应用的关键"。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1423812.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1423812.htm

创造新的物质状态 - 研究人员发明了两种新型超导技术

创造新的物质状态-研究人员发明了两种新型超导技术研究人员通过一次排列一个原子的方法，成功地制造出了新型超导体，这有可能促进创新材料的开发和量子计算的进步。这项研究为克服天然材料的局限性提供了一种可行的方法，为未来电子和计算技术中的新型物质状态铺平了道路。未来的计算机是什么样的？它将如何工作？寻找这些问题的答案是基础物理研究的主要动力。从经典电子学的进一步发展到神经形态计算和量子计算机，有几种可能的方案。所有这些方法的共同点是，它们都基于新颖的物理效应，其中有些效应迄今为止只能在理论上预测。研究人员不遗余力地使用最先进的设备来寻找新的量子材料，以便创造出这种效应。但是，如果没有天然存在的合适材料怎么办？在最近发表于《自然-物理》（NaturePhysics）的一项研究中，UZH教授提图斯-诺伊佩特（TitusNeupert）的研究小组与位于德国哈勒（Halle）的马克斯-普朗克微结构物理研究所（MaxPlanckInstituteofMicrostructurePhysics）的物理学家密切合作，提出了一种可能的解决方案。研究人员自己一个原子一个原子地制造所需的材料。他们的研究重点是新型超导体，这种超导体特别有趣，因为它们在低温下电阻为零。超导体有时被称为"理想二磁体"，由于其与磁场的非凡相互作用，被许多量子计算机所采用。理论物理学家花了多年时间研究和预测各种超导状态。诺伊佩特教授说："然而，到目前为止，只有少数超导状态在材料中得到了确证。"在他们令人兴奋的合作中，哈佛大学的研究人员从理论上预测了原子应该如何排列才能产生新的超导相，德国的研究小组随后进行了实验，以实现相关的拓扑结构。他们利用扫描隧道显微镜，以原子精度将原子移动并沉积到正确的位置。同样的方法还用于测量系统的磁性和超导特性。通过在超导铌表面沉积铬原子，研究人员创造出了两种新型超导电性。类似的方法以前也曾用于操纵金属原子和分子，但直到现在，这种方法还不可能制造出二维超导体。这些结果不仅证实了物理学家们的理论预测，还让他们有理由推测用这种方法还能制造出哪些新的物质状态，以及它们如何被用于未来的量子计算机。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385313.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385313.htm

超导研究的新时代 - 科学家们发现"Goldilocks"材料

超导研究的新时代-科学家们发现"Goldilocks"材料这些超导体的基础在于镍，促使许多科学家将这一时期的超导研究称为"镍时代"。在许多方面，镍酸盐与铜酸盐相似，后者是在20世纪80年代发现的，以铜为基础。但是现在，一类新的材料正在发挥作用：在维也纳大学和日本的大学之间的合作中，有可能在计算机上比以前更精确地模拟各种材料的行为。科学家发现了"Goldilocks区"，在这个区里，超导性工作得特别好。而这个区域既不是用镍也不是用铜，而是用钯来达到。这可能为超导研究带来一个新的"钯金时代"。这些结果现在已经发表在科学杂志《物理评论快报》上。寻找更高的过渡温度在高温下，超导体的行为与其他导电材料非常相似。但是当它们被冷却到某个"临界温度"以下时，它们就会发生巨大的变化：它们的电阻完全消失，突然间它们可以毫无损失地导电。材料在超导和正常导电状态之间变化的这一极限，被称为"临界温度"。"我们现在已经能够计算出整个系列材料的这个"临界温度"。通过我们在高性能计算机上的建模，我们能够高度准确地预测镍酸盐超导的相图，正如后来的实验所显示的那样，"来自维也纳大学固体物理研究所的KarstenHeld教授说。许多材料只有在绝对零度以上（-273.15°C）才会成为超导体，而其他材料即使在更高的温度下也能保持其超导特性。一种在正常室温和正常大气压力下仍然保持超导性的超导体将从根本上改变我们产生、运输和使用电力的方式。然而，这样一种材料还没有被发现。尽管如此，高温超导体，包括那些杯状物类的超导体，在技术方面发挥着重要作用--例如，在传输大电流或产生极强的磁场方面。铜？镍？还是钯？寻找最佳的超导材料是很困难的：有许多不同的化学元素会出现问题。可以把它们放在不同的结构中，可以添加其他元素的微小痕迹来优化超导性。KarstenHeld教授说："为了找到合适的候选材料，你必须在量子物理学层面上了解电子在材料中如何相互作用。"这表明，电子的相互作用强度有一个最佳值。相互作用必须是强的，但也不能太强。在这两者之间有一个"黄金地带"，使其有可能达到最高的过渡温度。钯酸盐是最佳解决方案这个中等相互作用的黄金区域既不能用铜酸盐也不能用镍酸盐来达到--但人们可以用一种新型的材料来击中靶心：所谓的钯酸盐。"钯在周期表中直接比镍低一行。属性相似，但那里的电子平均离原子核和彼此更远一些，所以电子相互作用更弱，"卡斯滕-海德说。该模型计算显示了如何实现钯数据的最佳过渡温度。"计算结果是非常有希望的，"卡斯滕-赫尔德说。"我们希望，我们现在可以利用它们来启动实验研究。如果我们有一个全新的、额外的钯类材料可用来更好地理解超导性，并创造出更好的超导体，这可能会使整个研究领域向前发展。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1356697.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1356697.htm

中国科学家独立发现全新高温超导体 实现超导只需-192℃

中国科学家独立发现全新高温超导体实现超导只需-192℃超导领域已经产生5个诺贝尔奖，中国科学家也在超导领域获得了一次国家自然科学一等奖、一次国家最高科学技术奖。王猛教授团队历时三年，成功获得了镍氧化物La3Ni2O7单晶，并确定它能在压力下实现超导，转变温度高达80K(零下192摄氏度)，达到了液氮温区(零下196摄氏度)。它也成为铜氧化物高温超导体之外，完全不同体系的高温超导体，而且电子结构、磁性与铜氧化物完全不同，有望推动破解高温超导机理，使设计和预测高温超导材料成为可能。《自然》杂志审稿人也高度评价了这一成果，认为它“具有突出重要性”，“是开创性的发现”。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1370677.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1370677.htm