Advanced Materials:纳米尺度的“钻戒”为超导量子器件的设计提供了新思路
近日,丹麦高档研究院与北京工业大学、日本国立物量质料研究所、比利时鲁汶大学、中南大学、英国布里斯托大学、比利时根特大学等合做,操纵化学气相堆积法及微纳加工手艺造备了纳米标准的 “钻戒”,并在那些 “钻戒” 中发现了金属-玻色半导体相变与十分规 “巨磁阻” 效应。那些发现为超导量子器件的设想供给了新思绪。
相关研究论文功效以 Unconventional Giant “Magnetoresistance” in Bosonic Semiconducting Diamond Nanorings 为题,已颁发在科学期刊 Advanced Materials 上。
质料按其电学性量可粗略地分为绝缘体、半导体、导体和超导体。当温度降低时,因其非零的禁带宽度,绝缘体与半导体的电阻往往升高。金属做为良导体,其电阻凡是随温度的降低而减小。超导体在较高的温度下一般呈现类似金属的电学性量。在低温下,当超导体中的自在电子连系为库珀对且发作量子凝聚时,其电阻突降至零。当前,除了人们耳熟能详的超导磁悬浮列车,超导体也被用于开发先辈的量子器件,如单光子探测器和量子计算机等。
持久困扰物理与质料学界的一个问题是:库珀对的构成能否一定招致质料从金属态到超导态的相变?此问题在上述国际研究团队的合做下得到领会答。该团队拔取硼掺杂的人造金刚石(钻石)为原质料,操纵先辈的微纳加工手艺,造备出了纳米标准的金刚石环状构造(“钻戒”)。那些纳米“钻戒”在相对较高的温度下表示出类金属的电学性量,当温度降至其原质料的超导相变温度时,它们的电阻显著飙升而非突降。该反常相变的发作是由纳米“钻戒”对库珀对的拘禁形成的。库珀对的构成以自在单电子的消耗为代价,当纳米“钻戒”有效充任了库珀对的量子阱时,系统将“无电可导”,故而电阻飙升。因为那种相变与库珀对(玻色子)的构成以及动态息息相关,所以团队将之定义为金属-玻色半导体相变。该发现与传统的金属-绝缘体相变有素质的区别,后者往往由单电子(费米子)的局域化形成。
陪伴着金属-玻色半导体相变的发作,纳米“钻戒”展示了十分规“巨磁阻”效应。常规巨磁阻效应是由自旋相关的电子散射形成的,现今被普遍应用于电脑硬盘数据的读取。由磁性与非磁性质料构成的多层膜构造是硬盘读取磁头的关键组件,当该构造处于硬盘磁畴产生的磁场中时,自旋相关的电子散射会被按捺,招致构造电阻的大幅降低,从而实现对数据的识别和读取。与常规巨磁阻效应差别,纳米“钻戒”中的“巨磁阻”效应是库珀对的湮灭招致的。在外加磁场中,纳米“钻戒”中的库珀对被拆分红单电子,那些单电子的释放使得系统变得“有电可导”,从而电阻骤降。
该研究提醒了一系列新颖的量子现象,拓展了对质料传统分类的认识,为超导量子器件的开发供给了新的物理根底、质料平台和设想思绪。丹麦高档研究院张固非传授倡议了该项研究,并和北京工业大学柯小行传授、日本国立物量质料研究所廖梅勇主席研究员、比利时鲁汶大学刘立旺博士、中南大学李业军传授等人担纲了次要研究工做。