研究人員突破超導體速度極限，探究庫珀對的脫對現象

來自德國馬克斯·普朗克物質結構與動力學研究所、中國上海微系統與資訊技術研究所、瑞士蘇黎世聯邦理工學院及英國牛津大學的研究團隊，通過突破超導體的「速度極限」，在探究電子糾纏對（即 Cooper 對）的解對現象方面取得了重大突破。超導體是能夠在低於特定溫度時，無電阻地導電並發出磁場的材料。這些獨特的性質使得粒子對撞機和磁共振成像（MRI）等醫療設備的技術得以實現，這在一個世紀前聽起來似乎如同科幻小說一般。

雖然我們已成功在多種材料中實現超導狀態，但科學家們清楚這些系統的脆弱性。溫度的升高或電流和磁場的變化，都足以使材料失去超導狀態。

超導性剝奪現象的挑戰

超導性剝奪現象 雖然磁場和電流可以被測量，但還有另一個極限難以測量，因為它可能在十億分之一秒內引發擾動。這就是解對極限，在這一極限下，電子糾纏對（即 Cooper 對）會被撕裂，導致超導性立即喪失。由於越過解對極限引發的擾動速度極快，科學家們需要更快地進行調查，以探測是否越過了這一極限。研究團隊找到了一種新穎的方法，類似於在越過該極限時突破速度極限。第二類超導體在多種應用中被廣泛使用，實際上是一種物理妥協。

與具有脆弱磁限的第一類超導體不同，第二類超導體具有更高的極限，這歸功於其內部的磁場（即量子漩渦），這使得電流即便在極端條件下也能流動並保持超導性。

不同材料的超導性行為

強電流能夠撕扯這些量子漩渦，並在材料中產生阻力，從而終止其超導性。因此，研究團隊決定利用這些資訊進一步瞭解解對極限。突破速度極限 團隊使用了兩種不同類型的超導材料，氮化鉭（NbN）和一種釔鋇銅氧化物（YBCO）家族的成員，這兩者均顯示出高溫超導性。NbN 擁有 s-wave 能隙對稱性，而 YBCO 則具有 d-wave 能隙對稱性，這決定了撕裂其超導性的難易程度。

為了超越在十億分之一秒內發生的量子過程，團隊建立了一種光電電路，其速度超過量子漩渦移動的幾十公里每秒的幾個數量級。研究人員發現，NbN 在施加的電流達到臨界值之前保持超導性，然後突然失去超導性。另一方面，YBCO 材料則逐漸失去超導性。團隊將這一差異歸因於兩種材料的能隙對稱性，其中 NbN 的能量隙在所有方向上相同，而 YBCO 材料的能量隙變化顯著，因此無法一次性熄滅。

這兩種材料的行為差異使研究人員對超導性有了根本性的理解，最終歸結為 Cooper 對及其穩定性。超越超導材料過渡的速度極限，使研究人員未來能夠以新的方式研究和獲取這些性質。研究結果已發表於《自然物理學》期刊上。

突破超導體研究的新方向

研究團隊在超導體領域的突破，不僅揭示了電子糾纏對的脆弱性，也為未來的超導材料研究提供了新的視角。超導性剝奪現象的快速擾動使得材料的穩定性成為關鍵，這對於實際應用如粒子對撞機和醫療設備的發展至關重要。透過對不同材料的深入研究，科學家們能夠更好地理解超導性質，進而推動相關技術的創新與應用。