作者:普林斯顿大学凯瑟琳·赞多内拉 普林斯顿大学的研究人员发现，超导电流沿着具有拓扑性质的超导体的外缘流动，这暗示了一条通向拓扑超导的途径，可能对未来的量子计算机有用
超导性由图中的黑色中心表示，表示对电流没有阻力
锯齿状图案表示超导性的振荡，它随外加磁场的强度而变化
学分:史蒂芬·金，普林斯顿大学 在普林斯顿的一个实验室里发现了一个物理学家长期未能发现的发现
一组物理学家沿着超导材料的外部边缘探测到了超导电流——没有浪费能量的电子流
这项发现发表在5月1日的《科学》杂志上
研究人员研究的超导体也是一种拓扑半金属，这种材料有其独特的电子特性
这一发现提出了开启“拓扑超导”新时代的方法，这对量子计算可能有价值
“据我们所知，这是首次在任何超导体中观察到边缘超电流，”普林斯顿大学的尤金·希金斯物理学教授、该研究的资深作者奈冯昂说
“我们的激励问题是，当材料内部不是绝缘体而是超导体时会发生什么？”昂说
"当拓扑材料中出现超导性时，会出现什么新的特征？" 尽管传统超导体已经在磁共振成像(MRI)和长距离传输线路中得到了广泛应用，但新类型的超导性可能会释放出超越我们熟悉的技术限制的能力
普林斯顿和其他地方的研究人员一直在探索超导性和拓扑绝缘体之间的联系——这种材料的非共形电子行为是2016年诺贝尔物理学奖的主题
邓肯·霍尔丹，普林斯顿大学谢尔曼·费尔柴尔德大学物理学教授
拓扑绝缘体是具有绝缘内部和导电表面的晶体，就像包裹在锡箔中的核仁巧克力饼
在导电材料中，电子可以从一个原子跳到另一个原子，让电流流动
绝缘体是电子被卡住而不能移动的材料
然而奇怪的是，拓扑绝缘体允许电子在其表面运动，但不允许其内部运动
为了探索拓扑材料中的超导性，研究人员转向了一种叫做二碲钼的晶体材料，这种材料具有拓扑性质，一旦温度降至零下459华氏度(100毫开尔文)以下，它也是一种超导体
“迄今为止所做的大多数实验都试图通过将一种材料放在另一种材料的附近来给拓扑材料‘注入’超导性，”电气工程研究生斯蒂芬·金(Stephan Kim)说，他进行了许多实验
“我们测量的不同之处在于，我们没有注入超导性，但我们能够显示边缘态的特征
" 该团队首先在实验室中生长晶体，然后将它们冷却到超导发生的温度
然后他们在测量流经晶体的电流时施加一个弱磁场
他们观察到，当磁场增加时，一个叫做临界电流的量显示出振荡，这种振荡看起来像锯齿图案
振荡的高度和频率都符合这些波动是如何由限制在材料边缘的电子的量子行为产生的预测
研究人员早就知道，当通常随机运动的电子成双成对形成库珀对时，超导性就会产生，在某种意义上，库珀对随着同一节拍跳舞
“一个粗略的类比是，十亿对夫妇在执行同样的严格照本宣科的舞蹈编排，”昂说
昂说，电子遵循的脚本被称为超导体的波函数，它可以被粗略地视为沿着超导导线长度延伸的丝带
波函数的轻微扭曲迫使一根长导线中的所有库珀对以与“超流体”相同的速度运动——换句话说，就像一个单独的集合，而不是像单个粒子——流动而不产生热量
昂说，如果没有沿着丝带的扭曲，所有的库珀对都是静止的，没有电流流动
如果研究人员将超导体暴露在弱磁场中，这将对研究人员称为磁通量的扭曲增加额外的贡献，对于像电子这样的非常小的粒子，磁通量遵循量子力学的规则
研究人员预计，这两个对扭曲数、超流速度和磁通量有贡献的因素共同作用，将扭曲数保持为一个精确的整数，比如2、3或4等整数，而不是3
2或a 3
七
他们预测，随着磁通量的平稳增加，超流速度将呈锯齿状增加，因为超流速度会调整以抵消额外的
2或添加
3以获得准确的扭转次数
研究小组测量了改变磁通量时的超流体电流，发现锯齿图案确实是可见的
在二碲钼和其他所谓的Weyl半金属中，电子在主体中的这种库珀配对似乎在边缘诱导了类似的配对
研究人员指出，为什么边缘超电流保持独立于大块超电流的原因目前还没有被很好地理解
昂把集体运动的电子，也称为凝聚体，比作液体的水坑
“从传统的预期来看，人们会认为两个直接接触的流体水坑会合并成一个，”昂说
“然而实验表明，边缘冷凝物仍然不同于晶体的大部分
" 该研究小组推测，阻止两种冷凝物混合的机制是从钼二碲中受保护的边缘状态继承的拓扑保护
该小组希望应用同样的实验技术在其他非常规超导体中寻找边缘超电流
“可能有很多这样的人，”昂说
这项研究，“Weyl超导体二号粒子中边缘超电流的证据”，作者:王无棣，史蒂芬·金，，刘，法
A
罗伯特·塞瓦洛斯
J
卡瓦和奈凤，发表在2020年5月1日的《科学》杂志上
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