排斥電荷防止庫柏對在絕緣狀態下「跳島」？

超導體能夠在零電阻的情況下導電，這要歸功於庫柏對(Cooper pair)和電子對(electron duo)。庫柏對是電子對相互作用的結對體，它們能在不受阻礙的情況下穿過材料。早在2007年布朗大學的研究人員有了一個驚人發現，在絕緣材料中也存在庫珀對，它有助於阻止電流的流動，而不是使電流流動成為可能。現在同一個實驗室小組已經揭示了這些「庫珀對絕緣體」所包含的力。現發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的一篇論文中，研究人員指出：

在絕緣階段，庫柏對受到相互排斥作用的制約，而不是材料原子晶格中的任何無序狀態。在設計利用超導絕緣過渡(例如超導開關)的材料或器件時，這種洞察力可能很重要。布朗大學的物理學教授、該論文的資深作者吉姆·瓦勒斯(Jim Valles)說：電子學的關鍵是控制電子流，所以要找到新的方法，讓電子流產生新的操作方法，用於新設備的實現。這項研究為我們提供了關於庫珀對傳播的新信息，這可能有助於在新設備中操縱它們。此前Valles和同事對非晶態鉍薄膜進行了實驗，厚塊的非晶態鉍起到超導體作用。

但當它被切成只有幾個原子那麼厚的薄片時，它就變成了絕緣體。瓦勒斯和同事們的初步研究表明，庫珀對(以布朗大學物理學家利昂·庫珀的名字命名，庫珀因描述了它們的動力學而獲得諾貝爾獎)出現在這些電影中。但電影中的庫珀對並沒有像在超導狀態下那樣自由移動，而是被困在材料內部的小島上，無法跳躍到下一個小島。然而，目前還不清楚是什麼力量將這對雙胞胎固定在原地。這正是Valles和同事們希望通過這項新研究發現的。使庫柏對固定的一種可能性是電荷，每對粒子都帶有很強的負電荷，帶相同電荷的粒子相互排斥。這可能是庫珀對跳躍到下一個島有困難，因為那個島已經被另一對庫珀對佔據了。

Jim Valles. 圖片: Brown University

這就造成了電荷相關的交通堵塞，阻止電流通過材料。Valles和同事們打算測試這種情況。在這項研究中，把釓原子撒到鉍絕緣體的原子結構中。釓是磁性的，而磁性削弱了庫柏對耦聯-潛在地導致他們分裂成單獨的電子。如果有幾對庫伯龍在瞬間斷裂，就會釋放出一些島嶼空間，給完整庫伯龍留下跳躍的空間。因此，如果更多電子對隨著釓的加入而開始跳躍，這將是一個明確的信號，表明這些材料中的電阻是由電荷相關的交通堵塞驅動，這正是實驗所顯示。正是電影中那些小島的組合，以及庫珀對相互排斥而形成小島之間的屏障，才產生了這種阻力。

這是第一次有人能夠排除其他可能導致的因素。另一種可能性是一種被稱為安德森局域化的現象，它與物質結構的無序有關。在接近絕對零度的溫度下，安德森效應可能很重要，因為在接近絕對零度的溫度下，它們會形成一種更奇特的狀態，稱為超絕緣，在這種狀態下，電阻會變得無窮大。但在相對較高的溫度下，這項研究表明電荷才是最重要的。這可能會對設計新的電子設備產生影響——也許是用於邏輯門的超導開關。有可能從這個裝置中得到一個低溫開關，或者如果我們能從高溫超導體中得到這種行為，可能會得到更高溫度的版本，這可能會有更實際的用途。

博科園-科學科普｜研究/來自: 布朗大學

參考期刊文獻:《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.157002

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