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科学家发现了一种稀有超导体,将可能对量子计算的未来至关重要

超导性是在某些材料中观察到的一组物理特性,其中电阻消失且磁通量场从材料中排出,任何表现出这些特性的材料称为超导体。超导体是一种重要的材料,当冷却到一定温度以下时,它能够在没有任何电阻的情况下导电,这使得它们在需要减少能源消耗的应用中非常受欢迎。

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超导现象由荷兰物理学家、海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)于1911年发现,从而获得了1913年诺贝尔奖。与超导性相关而获得诺贝尔奖的还有:

John Bardeen、Leon N. Cooper和J. Robert Schrieffer(1972),“因为他们共同开发的超导理论,通常称为BCS理论”。Leo Esaki、Ivar Giaever和Brian D. Josephson(1973),“分别是关于半导体和超导体中隧道现象的实验发现”和“他对通过隧道势垒的超电流特性的理论预测,特别是那些通常称为约瑟夫森效应的现象”。Georg Bednorz和K. Alex Müller(1987),“因为他们在发现陶瓷材料的超导性方面取得了重要突破”。Alexei A. Abrikosov、Vitaly L. Ginzburg和Anthony J. Leggett(2003),“对超导体和超流体理论的开创性贡献”。

超导是一种只能用量子力学来解释的现象,不能简单地理解为经典物理学中理想化的完美导电性。超导体在宏观物体的尺度上表现出了量子特性,使它们成为构建使用量子物理学来存储数据和执行计算操作的计算机的极具吸引力的候选者,并且在某些任务中甚至可以大大超越最好的超级计算机。因此,如谷歌、IBM 和微软等领先科技公司越来越需要使用超导体制造工业规模的量子计算机。

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然而,量子计算机的基本单元——量子位极其敏感,会因电磁场、热量和与空气分子的碰撞而失去量子特性。可以通过使用称为拓扑超导体的特殊类型的超导体制造更具弹性的量子位来实现对量子特性的保护,拓扑超导体除了是超导体外,还在其边界或表面上承载受保护的金属状态。

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手性超导体(Chiral superconductors)是一种新型拓扑材料,具有有限角动量库珀对围绕独特的手性轴循环,从而自发地打破时间反演对称性。手性超导体相当稀有,通常为三重配对:一个典型的例子是在超流体氦-3(He3)的A相中实现的手性p波状态。与单线态超导体相比,手性三线态超导体在拓扑上是脆弱的,相应的无间隙边界模式对保持对称性的扰动的保护很弱。

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传统超导体中的库珀对,例如元素金属,是由于电子通过声子介导的吸引力相互作用而形成最对称的s波自旋单线态。它们在实空间中具有非零现场配对幅度。相比之下,非常规超导体被定义为在真实空间中具有零现场配对幅度。因此,在强排斥系统中,非常规超导体的库珀对中的电子避免彼此接触,从而在能量上变得比传统 库珀对更有利。关键的挑战在于,非常规超导体对解决超导如何从复杂的正常状态出现,常需要长距离互动并且具有较低的对称性库珀对。

手性超导体属于一类特殊的非常规超导体,具有特殊的拓扑结构和具有有限角动量的库珀对。LaPt3P是铂磷族元素化合物(pnictide)超导体类:APt3P (A= Ca、Sr 和 La)家族的一个成员,具有中心对称的原始四方结构。LaPt3P具有与家族中其他两个成员不同的电子结构,因为La贡献了一个额外的价电子。基于第一性原理的理论分析 发现LaPt3P中的电子-声子耦合是该家族中最弱的。

通过使用μ子自旋弛豫测量(muon spin relaxation measurements),该研究报告弱相关的磷族元素化物(pnictide)化合物 LaPt3P具有手性超导体的两个关键特征:超导状态内的自发磁场表明时间反转对称性被破坏,以及超流体密度中的低温线性行为表明有序参数中的线节点。使用对称性分析、第一性原理能带结构计算和平均场理论,该研究明确地确定了LaPt3P的超导基态是手性d波单线态,极为罕见,对未来的量子计算产业具有巨大价值。

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研究团队使用μ子自旋弛豫实验测量技术对LaPt3P的超导特性进行了全面分析。为确保其特性与样品和仪器无关,两组多晶LaPt3P样品:样品A来自英国沃里克华威大学,和样品B来自瑞士苏黎世联邦理工学院,是在两个不同的实验室通过完全不同的方法合成。

然后在两种不同类型的μ子设施中进行μ子实验:在STFC卢瑟福阿普尔顿实验室和瑞士PSI的 ISIS 脉冲中子和μ子源中。在两个不同的μ子设备上对这些样品进行了零场 (ZF)、纵向场 (LF) 和横向场 (TF)μ子自旋弛豫实验测量,结果·显示在不同仪器上执行的两个LaPt3P样品中都具有超导状态下自发打破时间反转对称性。

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该研究表明,弱相关金属LaPt3P在Tc的超导状态下自发打破时间反转对称性,并基于广泛的μ子自旋弛豫实验测量在低温下具有线节点行为。使用第一原理理论、对称性分析和拓扑论证,研究确定,对LaPt3P的实验观察可以通过具有拓扑保护的马约拉纳费米弧和马约拉纳平带的手性d波单线态超导基态一致性地予以了解释。

“拓扑超导体 LaPt3P的发现在量子计算领域具有巨大潜力,发现这样一种稀有和理想的成分证明了介子研究对我们周围日常生活的重要性。”

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