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rlafite木虫 (正式写手)
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只需振动匹配，即可关闭邻近晶体中的超导性
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只需振动匹配，即可关闭邻近晶体中的超导性 世界从未真正静止。即使在接近绝对零度的真空环境中——在那里所有经典运动本应停止——仍然存在量子涨落。在薄的二维材料中，这些涨落包括会改变电磁场的随机振动。理论学家早已提出，这一特性或许能够用于调控材料性能。 “这是我们几十年来一直追寻的圣杯，”哥伦比亚大学物理学 Higgins 教授 Dmitri Basov 表示，“我们相信已经找到了它。” 在发表在《Nature》上的一篇新论文中，Basov 与来自 17 家机构的 32 位合作者共同证实：仅凭二维原子级薄层材料内部真空中的量子涨落，就可以改变附近较大晶体的性质——这一理论可能性如今首次在实验中实现。 该团队由哥伦比亚大学博士后 Itai Keren、Tatiana Webb 和 Shuai Zhang 领衔，他们将一片纳米尺度的六方氮化硼（hBN）薄片置于超导材料 κ-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Br（简称 κ-ET）之上。在没有额外激光或其他外部驱动的情况下，超导性竟然停止了。 这显然不是那些希望增强无损电流传输的人所期望的结果，但它是一个重要的概念验证。“任何能够调控超导性的‘新旋钮’都具有重要意义，”Keren 表示。 hBN 层间的量子涨落具有特征共振频率，而这一频率恰好与 κ-ET 的共振频率相匹配。“我们的直觉是：如果振动匹配，它们就会相互作用，”Keren 说。 当两者发生相互作用时，κ-ET 晶体中的电磁环境发生变化，从而阻碍电子运动，使其无法进入集体的超导态。当研究人员将 hBN 放在具有不同共振频率的超导体上时，则没有发生任何变化。 这一想法最初萌芽于多年前的纽约中央公园。来自德国汉堡 Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter 的理论合作者 Angel Rubio 在访问纽约期间，向当时持怀疑态度的 Basov 解释了量子涨落的潜力。“我当时认为他的提议不可能实现，但它太吸引人了，让人无法不去尝试，”Basov 回忆道。 问题在于如何实现。但在他的纳米光学实验室中，hBN 已经静静等待着——仿佛为这一问题而存在的解决方案。 hBN 在工业和实验应用中已成为“主力材料”，通常被用作惰性绝缘间隔层。但从 2014 年起，Basov 实验室开始在 hBN 中观察到有趣的光学性质。随着他与 Rubio 多年的讨论深入，hBN 成为构建“腔体”的理想候选材料。 腔体是一种限制光或其他电磁波传播的结构。即便其中没有波存在，它在某种意义上仍是“真空”——但并非完全空无一物。腔体中依然存在量子涨落。传统上，人们使用镜子构建腔体，但腔体越小，量子涨落越强。纳米级厚度的 hBN 薄片几乎已达到极限尺度。 利用专用的扫描近场光学显微镜（SNOM），现任复旦大学助理教授的 Zhang 及 Basov 实验室成员多年来证实，hBN 层中产生的振动准粒子可以与其他晶体（包括超导 κ-ET）中的振动相互作用并加以调制。但 SNOM 属于光学工具，依赖光子——而光子本身也会改变材料性质。为了证明仅靠量子涨落本身即可产生效应，Basov 需要在“黑暗中”进行实验。 合著者、哥伦比亚大学物理学家 Abhay Pasupathy 提供了这样的“黑暗探针”：低温磁力显微镜（MFM）。MFM 可以探测迈斯纳效应——即超导体与磁体之间的排斥力。Pasupathy 的实验室能够在极低温下穿透覆盖层探测超导体。 Keren 和 Webb 精妙地完成了 MFM 实验。Rubio 起初甚至难以置信：“真空涨落极其微弱，但观察到的效应却非常巨大。”在 κ-ET 中，超导性被抑制的范围接近 0.5 微米——约为所用 hBN 薄片宽度的 10 倍。 Rubio 解释说，过去调控材料性质通常需要某种“摇动”——机械推动、加热或激光脉冲——而且效果往往短暂。如今在没有外部驱动力的情况下实现调控，可能带来更持久的改变。他与论文中的理论学家仍在努力为这一卓越结果给出统一解释。 “即使理论尚未完全解释结果，我们现在已经拥有真空介导相互作用的实验确证。从长远来看，这应当是一个重要的里程碑，”Rubio 表示。 hBN 的“双曲性”是关键特性之一。双曲材料具有特殊结构，能够放大内部振动——就像从一个人挥手，扩展到整个体育场的“人浪”。 现任巴纳德学院助理教授的 Webb 表示：“双曲材料可以产生这种非凡效应。我们已经证明，这是一种可行的调控材料电子性质的方法，并且有望整合进材料设计中。” 例如，可以通过改变 hBN 的厚度来调节其振动特性。“如果我们能够控制这些振动，就可以按需调节超导体。但这不仅仅适用于超导体，”Keren 说。 不同类型的磁体和铁电材料也具有与其物性相关的特定振动模式；只要找到匹配的腔体，就可能实现对它们的调控。“我们预计会看到更多研究者寻找新的材料组合，”Keren 表示。 从量子腔体的真空中，一种全新的材料工程方法正在浮现——一切都源于“恰到好处的振动”。 Publication details Itai Keren et al, Cavity-altered superconductivity, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-025-10062-6 |
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