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rlafite木虫 (正式写手)
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仅用一个超导体并以铁作为势垒观察到约瑟夫森结行为
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仅用一个超导体并以铁作为势垒观察到约瑟夫森结行为 **仅用一个超导体并以铁作为势垒观察到约瑟夫森结行为** 当用一层极薄的材料将两个超导体隔开时，会发生一种奇特的现象。 由成对电子驱动的超导性——一种使电流无能量损耗流动的性质——会“泄漏”到中间的势垒层中，并将两侧连接起来，使它们即便彼此分离，仍能同步其行为。 这种器件被称为**约瑟夫森结**。它是量子计算机的基础构件，而围绕它的发展成果曾获得 **2025 年诺贝尔物理学奖**。 但如果约瑟夫森结只需要**一个超导体**就能工作呢？这或许能为更简单、更灵活的量子计算设计打开新的可能性。一个国际研究团队首次获得了这样的实验性证据：他们测量到了一种电学行为，尽管器件中只有一个超导体，却表现得如同由两个超导体构成的约瑟夫森结。 相关成果发表在《**Nature Communications**》上。研究表明，超导金属**钒**的超导行为跨越势垒层发生“渗透”，并在另一侧的**铁**中诱导了电子成对——这是超导性的一个标志性特征。 尽管人们早已知道，超导体可以在邻近材料中诱导出较弱的超导行为，但此次在铁中诱导出的效应强到足以在其与钒之间产生类似约瑟夫森结的同步行为。 “一个典型的、由两个超导体组成的约瑟夫森结，就像两支军队在河两岸齐步前进。在我们的实验中，只有一支军队——然而就好像它的行进促使对岸的市民自发组织成民兵，并开始按照另一种节奏行进。”该研究的共同通讯作者之一、纽约州立大学布法罗分校文理学院物理系杰出教授 **Igor Žutić** 如是说。 这些实验——验证了数十年前提出的理论——是在另一位共同通讯作者、西班牙马德里自治大学凝聚态物理学教授 **Farkhad Aliev** 博士的实验室中完成的。其他合作者还包括西班牙的科米利亚斯宗座大学、法国洛林大学、罗马尼亚的巴贝什–博约伊大学，以及中国的东方高等研究院。 --- ### 铁“踏着不同的节拍前进” 打开水龙头时，水看起来是平稳流动的；但若放大观察，就会发现这股水流其实由一个个水滴组成。 电流也是如此。看似连续的电流，实际上是由一个个电子以极其微小的脉冲形式到达所构成的。 “这些电子流动中不可避免的小幅波动被称为**噪声**。通过‘倾听’这些噪声，我们可以了解电荷是如何在材料中运动的。”布法罗大学物理系教授、该研究合作者 **Jong Han** 博士解释道。 正是通过分析噪声，研究团队在由钒和铁构成、并以一层薄薄的氧化镁作为隔层的器件中，观察到了类似约瑟夫森结的行为。测量结果显示，在铁内部，电子以规模很大、协同性极强的群体形式运动——这是通常只在两个超导体通过约瑟夫森结相连时才会出现的同步特征。 这一结果极其出人意料，因为铁是一种**铁磁体**，而铁磁性与超导性通常是相互对立的。超导体中的成对电子自旋方向相反——一个向上、一个向下；而铁磁体中的电子自旋大多沿着同一方向排列。电子的自旋就像一个微小的指南针，指向外加磁场的方向。 然而，铁却以某种方式，使得自旋方向相同的电子也能形成超导电子对。 “铁本质上形成了一种不同于钒的超导类型，”Žutić 说道，“换句话说，这些‘市民’以自己的方式组织起来，但依然保持了足够的节奏一致性，既能像军队一样行进，又能把他们自己的节律传回河对岸。” 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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