安德烈耶夫在超导体和原子锋利的金属尖端之间的反射的插图。图片来源：阿尔托大学/何塞·拉多。
在发表在《纳米快报》上的一项研究中，研究人员首次展示了一种新技术，可以以原子精度测量超导材料中的量子激发。检测这些激发是了解奇异超导体的重要一步，这可以帮助我们改进量子计算机，甚至可能为室温超导体铺平道路。
超导体是没有任何电阻的材料，通常需要极低的温度。它们被广泛用于各个领域，从医疗应用到量子计算机的核心角色。超导性是由称为库珀对的特殊连接的电子对引起的。到目前为止，库珀对的发生已经间接宏观地批量测量，但美国阿尔托大学和橡树岭国家实验室的研究人员开发的一项新技术可以原子精确地检测它们的发生。
这些实验由橡树岭国家实验室的Wonhee Ko和Petro Maksymovych在阿尔托大学的Jose Lado教授的理论支持下进行。电子可以“量子隧道”跨越能量势垒，以经典物理学无法解释的方式从一个系统跳到另一个系统。例如，如果一个电子在金属和超导体相遇的点上与另一个电子配对，它可以形成一个进入超导体的库珀对，同时也在称为安德烈耶夫反射的过程中将另一种粒子“踢回”到金属中。研究人员寻找这些安德烈耶夫反射来检测库珀对。
为此，他们测量了原子锋利的金属尖端和超导体之间的电流，以及电流如何依赖于尖端和超导体之间的分离。这使他们能够检测返回超导体的安德烈耶夫反射量，同时保持与单个原子相当的成像分辨率。实验结果与拉多的理论模型完全吻合。
这种在原子尺度上对库珀对的实验检测为理解量子材料提供了一种全新的方法。这是第一次，研究人员可以独特地确定库珀对的波函数如何在原子尺度上重建，以及它们如何与原子尺度的杂质和其他障碍相互作用。
“这项技术为理解被称为非常规超导体的奇异类型的超导体的内部量子结构建立了一种关键的新方法，可能使我们能够解决量子材料中的各种开放问题，”Lado说。非常规超导体是量子计算机的潜在基本组成部分，可以提供在室温下实现超导性的平台。库珀对在非常规超导体中具有独特的内部结构，到目前为止，这一直难以理解。
这一发现允许直接探测非常规超导体中库珀对的状态，为整个量子材料家族建立了一种关键的新技术。它代表了我们对量子材料理解的重要一步，有助于推动量子技术的发展工作。
更多信息：Wonhee Ko等人，非接触安德烈耶夫反射作为原子尺度上超导性的直接探针，纳米字母（2022）。DOI： 10.1021/acs.nanolett.2c00697
期刊信息：纳米快报
