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rlafite木蟲 (正式寫手)
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只需振動匹配，即可關(guān)閉鄰近晶體中的超導(dǎo)性
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只需振動匹配，即可關(guān)閉鄰近晶體中的超導(dǎo)性 世界從未真正靜止。即使在接近絕對零度的真空環(huán)境中——在那里所有經(jīng)典運動本應(yīng)停止——仍然存在量子漲落。在薄的二維材料中，這些漲落包括會改變電磁場的隨機振動。理論學(xué)家早已提出，這一特性或許能夠用于調(diào)控材料性能。 “這是我們幾十年來一直追尋的圣杯，”哥倫比亞大學(xué)物理學(xué) Higgins 教授 Dmitri Basov 表示，“我們相信已經(jīng)找到了它。” 在發(fā)表在《Nature》上的一篇新論文中，Basov 與來自 17 家機構(gòu)的 32 位合作者共同證實：僅憑二維原子級薄層材料內(nèi)部真空中的量子漲落，就可以改變附近較大晶體的性質(zhì)——這一理論可能性如今首次在實驗中實現(xiàn)。 該團隊由哥倫比亞大學(xué)博士后 Itai Keren、Tatiana Webb 和 Shuai Zhang 領(lǐng)銜，他們將一片納米尺度的六方氮化硼（hBN）薄片置于超導(dǎo)材料 κ-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Br（簡稱 κ-ET）之上。在沒有額外激光或其他外部驅(qū)動的情況下，超導(dǎo)性竟然停止了。 這顯然不是那些希望增強無損電流傳輸?shù)娜怂谕慕Y(jié)果，但它是一個重要的概念驗證。“任何能夠調(diào)控超導(dǎo)性的‘新旋鈕’都具有重要意義，”Keren 表示。 hBN 層間的量子漲落具有特征共振頻率，而這一頻率恰好與 κ-ET 的共振頻率相匹配。“我們的直覺是：如果振動匹配，它們就會相互作用，”Keren 說。 當兩者發(fā)生相互作用時，κ-ET 晶體中的電磁環(huán)境發(fā)生變化，從而阻礙電子運動，使其無法進入集體的超導(dǎo)態(tài)。當研究人員將 hBN 放在具有不同共振頻率的超導(dǎo)體上時，則沒有發(fā)生任何變化。 這一想法最初萌芽于多年前的紐約中央公園。來自德國漢堡 Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter 的理論合作者 Angel Rubio 在訪問紐約期間，向當時持懷疑態(tài)度的 Basov 解釋了量子漲落的潛力�！拔耶敃r認為他的提議不可能實現(xiàn)，但它太吸引人了，讓人無法不去嘗試，”Basov 回憶道。 問題在于如何實現(xiàn)。但在他的納米光學(xué)實驗室中，hBN 已經(jīng)靜靜等待著——仿佛為這一問題而存在的解決方案。 hBN 在工業(yè)和實驗應(yīng)用中已成為“主力材料”，通常被用作惰性絕緣間隔層。但從 2014 年起，Basov 實驗室開始在 hBN 中觀察到有趣的光學(xué)性質(zhì)。隨著他與 Rubio 多年的討論深入，hBN 成為構(gòu)建“腔體”的理想候選材料。 腔體是一種限制光或其他電磁波傳播的結(jié)構(gòu)。即便其中沒有波存在，它在某種意義上仍是“真空”——但并非完全空無一物。腔體中依然存在量子漲落。傳統(tǒng)上，人們使用鏡子構(gòu)建腔體，但腔體越小，量子漲落越強。納米級厚度的 hBN 薄片幾乎已達到極限尺度。 利用專用的掃描近場光學(xué)顯微鏡（SNOM），現(xiàn)任復(fù)旦大學(xué)助理教授的 Zhang 及 Basov 實驗室成員多年來證實，hBN 層中產(chǎn)生的振動準粒子可以與其他晶體（包括超導(dǎo) κ-ET）中的振動相互作用并加以調(diào)制。但 SNOM 屬于光學(xué)工具，依賴光子——而光子本身也會改變材料性質(zhì)。為了證明僅靠量子漲落本身即可產(chǎn)生效應(yīng)，Basov 需要在“黑暗中”進行實驗。 合著者、哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家 Abhay Pasupathy 提供了這樣的“黑暗探針”：低溫磁力顯微鏡（MFM）。MFM 可以探測邁斯納效應(yīng)——即超導(dǎo)體與磁體之間的排斥力。Pasupathy 的實驗室能夠在極低溫下穿透覆蓋層探測超導(dǎo)體。 Keren 和 Webb 精妙地完成了 MFM 實驗。Rubio 起初甚至難以置信：“真空漲落極其微弱，但觀察到的效應(yīng)卻非常巨大。”在 κ-ET 中，超導(dǎo)性被抑制的范圍接近 0.5 微米——約為所用 hBN 薄片寬度的 10 倍。 Rubio 解釋說，過去調(diào)控材料性質(zhì)通常需要某種“搖動”——機械推動、加熱或激光脈沖——而且效果往往短暫。如今在沒有外部驅(qū)動力的情況下實現(xiàn)調(diào)控，可能帶來更持久的改變。他與論文中的理論學(xué)家仍在努力為這一卓越結(jié)果給出統(tǒng)一解釋。 “即使理論尚未完全解釋結(jié)果，我們現(xiàn)在已經(jīng)擁有真空介導(dǎo)相互作用的實驗確證。從長遠來看，這應(yīng)當是一個重要的里程碑，”Rubio 表示。 hBN 的“雙曲性”是關(guān)鍵特性之一。雙曲材料具有特殊結(jié)構(gòu)，能夠放大內(nèi)部振動——就像從一個人揮手，擴展到整個體育場的“人浪”。 現(xiàn)任巴納德學(xué)院助理教授的 Webb 表示：“雙曲材料可以產(chǎn)生這種非凡效應(yīng)。我們已經(jīng)證明，這是一種可行的調(diào)控材料電子性質(zhì)的方法，并且有望整合進材料設(shè)計中�！� 例如，可以通過改變 hBN 的厚度來調(diào)節(jié)其振動特性�！叭绻覀兡軌蚩刂七@些振動，就可以按需調(diào)節(jié)超導(dǎo)體。但這不僅僅適用于超導(dǎo)體，”Keren 說。 不同類型的磁體和鐵電材料也具有與其物性相關(guān)的特定振動模式；只要找到匹配的腔體，就可能實現(xiàn)對它們的調(diào)控。“我們預(yù)計會看到更多研究者尋找新的材料組合，”Keren 表示。 從量子腔體的真空中，一種全新的材料工程方法正在浮現(xiàn)——一切都源于“恰到好處的振動”。 Publication details Itai Keren et al, Cavity-altered superconductivity, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-025-10062-6 |
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