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rlafite木蟲 (正式寫手)
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僅用一個(gè)超導(dǎo)體并以鐵作為勢(shì)壘觀察到約瑟夫森結(jié)行為
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僅用一個(gè)超導(dǎo)體并以鐵作為勢(shì)壘觀察到約瑟夫森結(jié)行為 **僅用一個(gè)超導(dǎo)體并以鐵作為勢(shì)壘觀察到約瑟夫森結(jié)行為** 當(dāng)用一層極薄的材料將兩個(gè)超導(dǎo)體隔開時(shí)，會(huì)發(fā)生一種奇特的現(xiàn)象。 由成對(duì)電子驅(qū)動(dòng)的超導(dǎo)性——一種使電流無(wú)能量損耗流動(dòng)的性質(zhì)——會(huì)“泄漏”到中間的勢(shì)壘層中，并將兩側(cè)連接起來，使它們即便彼此分離，仍能同步其行為。 這種器件被稱為**約瑟夫森結(jié)**。它是量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)構(gòu)件，而圍繞它的發(fā)展成果曾獲得 **2025 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)**。 但如果約瑟夫森結(jié)只需要**一個(gè)超導(dǎo)體**就能工作呢？這或許能為更簡(jiǎn)單、更靈活的量子計(jì)算設(shè)計(jì)打開新的可能性。一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)首次獲得了這樣的實(shí)驗(yàn)性證據(jù)：他們測(cè)量到了一種電學(xué)行為，盡管器件中只有一個(gè)超導(dǎo)體，卻表現(xiàn)得如同由兩個(gè)超導(dǎo)體構(gòu)成的約瑟夫森結(jié)。 相關(guān)成果發(fā)表在《**Nature Communications**》上。研究表明，超導(dǎo)金屬**釩**的超導(dǎo)行為跨越勢(shì)壘層發(fā)生“滲透”，并在另一側(cè)的**鐵**中誘導(dǎo)了電子成對(duì)——這是超導(dǎo)性的一個(gè)標(biāo)志性特征。 盡管人們?cè)缫阎�，超�?dǎo)體可以在鄰近材料中誘導(dǎo)出較弱的超導(dǎo)行為，但此次在鐵中誘導(dǎo)出的效應(yīng)強(qiáng)到足以在其與釩之間產(chǎn)生類似約瑟夫森結(jié)的同步行為。 “一個(gè)典型的、由兩個(gè)超導(dǎo)體組成的約瑟夫森結(jié)，就像兩支軍隊(duì)在河兩岸齊步前進(jìn)。在我們的實(shí)驗(yàn)中，只有一支軍隊(duì)——然而就好像它的行進(jìn)促使對(duì)岸的市民自發(fā)組織成民兵，并開始按照另一種節(jié)奏行進(jìn)�！痹撗芯康墓餐ㄓ嵶髡咧�、紐約州立大學(xué)布法羅分校文理學(xué)院物理系杰出教授 **Igor Žutić** 如是說。 這些實(shí)驗(yàn)——驗(yàn)證了數(shù)十年前提出的理論——是在另一位共同通訊作者、西班牙馬德里自治大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)教授 **Farkhad Aliev** 博士的實(shí)驗(yàn)室中完成的。其他合作者還包括西班牙的科米利亞斯宗座大學(xué)、法國(guó)洛林大學(xué)、羅馬尼亞的巴貝什–博約伊大學(xué)，以及中國(guó)的東方高等研究院。 --- ### 鐵“踏著不同的節(jié)拍前進(jìn)” 打開水龍頭時(shí)，水看起來是平穩(wěn)流動(dòng)的；但若放大觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這股水流其實(shí)由一個(gè)個(gè)水滴組成。 電流也是如此�？此七B續(xù)的電流，實(shí)際上是由一個(gè)個(gè)電子以極其微小的脈沖形式到達(dá)所構(gòu)成的。 “這些電子流動(dòng)中不可避免的小幅波動(dòng)被稱為**噪聲**。通過‘傾聽’這些噪聲，我們可以了解電荷是如何在材料中運(yùn)動(dòng)的。”布法羅大學(xué)物理系教授、該研究合作者 **Jong Han** 博士解釋道。 正是通過分析噪聲，研究團(tuán)隊(duì)在由釩和鐵構(gòu)成、并以一層薄薄的氧化鎂作為隔層的器件中，觀察到了類似約瑟夫森結(jié)的行為。測(cè)量結(jié)果顯示，在鐵內(nèi)部，電子以規(guī)模很大、協(xié)同性極強(qiáng)的群體形式運(yùn)動(dòng)——這是通常只在兩個(gè)超導(dǎo)體通過約瑟夫森結(jié)相連時(shí)才會(huì)出現(xiàn)的同步特征。 這一結(jié)果極其出人意料，因?yàn)殍F是一種**鐵磁體**，而鐵磁性與超導(dǎo)性通常是相互對(duì)立的。超導(dǎo)體中的成對(duì)電子自旋方向相反——一個(gè)向上、一個(gè)向下；而鐵磁體中的電子自旋大多沿著同一方向排列。電子的自旋就像一個(gè)微小的指南針，指向外加磁場(chǎng)的方向。 然而，鐵卻以某種方式，使得自旋方向相同的電子也能形成超導(dǎo)電子對(duì)。 “鐵本質(zhì)上形成了一種不同于釩的超導(dǎo)類型，”Žutić 說道，“換句話說，這些‘市民’以自己的方式組織起來，但依然保持了足夠的節(jié)奏一致性，既能像軍隊(duì)一樣行進(jìn)，又能把他們自己的節(jié)律傳回河對(duì)岸。” Mystery remains The researchers are theorizing about how iron was able to make its same-spin electron pairs robust enough that it behaved as if it was an independent superconductor. Still, they're excited that same-spin electron pairing could have implications for topological superconductors, which are more tolerant to environmental disturbance. Such superconductors protect quantum information—often tied to electron spin—in a knot-like way, so disturbances to parts of the system don't easily unravel what's happening at the core. "The problem with conventional quantum computers is that even small environmental changes can throw off the spin of their electrons. We want to find a way to essentially lock an electron's spin into place, and same-spin pairing could hold some answers," Žutić says. Another potential advantage is that a Josephson junction could be made in the future with fairly ordinary materials—both iron and magnesium oxide are widely used in commercially available magnetic computer hard drives and magnetic random-access memory. "We have added a superconducting twist to commercially viable devices," Žutić says. More information: César González-Ruano et al, Giant shot noise in superconductor/ferromagnet junctions with orbital-symmetry- controlled spin-orbit coupling, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-64493-w Journal information: Nature Communications |
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