研究人员突破超导体速度极限，探究库珀对的脱对现象

来自德国马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所、中国上海微系统与信息技术研究所、瑞士苏黎世联邦理工学院及英国牛津大学的研究团队，通过突破超导体的“速度极限”，在探究电子纠缠对（即 Cooper 对）的解对现象方面取得了重大突破。超导体是能够在低于特定温度时，无电阻地导电并发出磁场的材料。这些独特的性质使得粒子对撞机和磁共振成像（MRI）等医疗设备的技术得以实现，这在一个世纪前听起来似乎如同科幻小说一般。

虽然我们已成功在多种材料中实现超导状态，但科学家们清楚这些系统的脆弱性。温度的升高或电流和磁场的变化，都足以使材料失去超导状态。

超导性剥夺现象的挑战

超导性剥夺现象虽然磁场和电流可以被测量，但还有另一个极限难以测量，因为它可能在十亿分之一秒内引发扰动。这就是解对极限，在这一极限下，电子纠缠对（即 Cooper 对）会被撕裂，导致超导性立即丧失。由于越过解对极限引发的扰动速度极快，科学家们需要更快地进行调查，以探测是否越过了这一极限。研究团队找到了一种新颖的方法，类似于在越过该极限时突破速度极限。第二类超导体在多种应用中被广泛使用，实际上是一种物理妥协。

与具有脆弱磁限的第一类超导体不同，第二类超导体具有更高的极限，这归功于其内部的磁场（即量子涡旋），这使得电流即便在极端条件下也能流动并保持超导性。

不同材料的超导性行为

强电流能够撕扯这些量子涡旋，并在材料中产生阻力，从而终止其超导性。因此，研究团队决定利用这些信息进一步了解解对极限。突破速度极限团队使用了两种不同类型的超导材料，氮化钽（NbN）和一种钇钡铜氧化物（YBCO）家族的成员，这两者均显示出高温超导性。NbN 拥有 s-wave 能隙对称性，而 YBCO 则具有 d-wave 能隙对称性，这决定了撕裂其超导性的难易程度。

为了超越在十亿分之一秒内发生的量子过程，团队建立了一种光电电路，其速度超过量子涡旋移动的几十公里每秒的几个数量级。研究人员发现，NbN 在施加的电流达到临界值之前保持超导性，然后突然失去超导性。另一方面，YBCO 材料则逐渐失去超导性。团队将这一差异归因于两种材料的能隙对称性，其中 NbN 的能量隙在所有方向上相同，而 YBCO 材料的能量隙变化显著，因此无法一次性熄灭。

这两种材料的行为差异使研究人员对超导性有了根本性的理解，最终归结为 Cooper 对及其稳定性。超越超导材料过渡的速度极限，使研究人员未来能够以新的方式研究和获取这些性质。研究结果已发表于《自然物理学》期刊上。

突破超导体研究的新方向

研究团队在超导体领域的突破，不仅揭示了电子纠缠对的脆弱性，也为未来的超导材料研究提供了新的视角。超导性剥夺现象的快速扰动使得材料的稳定性成为关键，这对于实际应用如粒子对撞机和医疗设备的发展至关重要。通过对不同材料的深入研究，科学家们能够更好地理解超导性质，进而推动相关技术的创新与应用。