近日，丹麥高等研究院與北京工業(yè)大學(xué)、日本國立物質(zhì)材料研究所、比利時(shí)魯汶大學(xué)、中南大學(xué)、英國布里斯托大學(xué)、比利時(shí)根特大學(xué)等合作，利用化學(xué)氣相沉積法及微納加工技術(shù)制備了納米尺度的 “鉆戒”，并在這些 “鉆戒” 中發(fā)現(xiàn)了金屬-玻色半導(dǎo)體相變與非常規(guī) “巨磁阻” 效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)為超導(dǎo)量子器件的設(shè)計(jì)提供了新思路。

       相關(guān)研究論文成果以 Unconventional Giant “Magnetoresistance” in Bosonic Semiconducting Diamond Nanorings 為題，已發(fā)表在科學(xué)期刊 Advanced Materials 上。
       材料按其電學(xué)性質(zhì)可粗略地分為絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體和超導(dǎo)體。當(dāng)溫度降低時(shí)，因其非零的禁帶寬度，絕緣體與半導(dǎo)體的電阻往往升高。金屬作為良導(dǎo)體，其電阻通常隨溫度的降低而減小。超導(dǎo)體在較高的溫度下一般呈現(xiàn)類似金屬的電學(xué)性質(zhì)。在低溫下，當(dāng)超導(dǎo)體中的自由電子結(jié)合為庫珀對且發(fā)生量子凝聚時(shí)，其電阻突降至零。當(dāng)前，除了人們耳熟能詳?shù)某瑢?dǎo)磁懸浮列車，超導(dǎo)體也被用于開發(fā)先進(jìn)的量子器件，如單光子探測器和量子計(jì)算機(jī)等。
       長期困擾物理與材料學(xué)界的一個(gè)問題是：庫珀對的形成是否必然導(dǎo)致材料從金屬態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的相變？此問題在上述國際研究團(tuán)隊(duì)的合作下得到了解答。該團(tuán)隊(duì)選取硼摻雜的人造金剛石（鉆石）為原材料，利用先進(jìn)的微納加工技術(shù)，制備出了納米尺度的金剛石環(huán)狀結(jié)構(gòu)（“鉆戒”）。這些納米“鉆戒”在相對較高的溫度下表現(xiàn)出類金屬的電學(xué)性質(zhì)，當(dāng)溫度降至其原材料的超導(dǎo)相變溫度時(shí)，它們的電阻顯著飆升而非突降。該反常相變的發(fā)生是由納米“鉆戒”對庫珀對的拘禁造成的。庫珀對的形成以自由單電子的消耗為代價(jià)，當(dāng)納米“鉆戒”有效充當(dāng)了庫珀對的量子阱時(shí)，體系將“無電可導(dǎo)”，故而電阻飆升。因?yàn)檫@種相變與庫珀對（玻色子）的形成以及動(dòng)態(tài)息息相關(guān)，所以團(tuán)隊(duì)將之定義為金屬-玻色半導(dǎo)體相變。該發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的金屬-絕緣體相變有本質(zhì)的區(qū)別，后者往往由單電子（費(fèi)米子）的局域化造成。
       伴隨著金屬-玻色半導(dǎo)體相變的發(fā)生，納米“鉆戒”展現(xiàn)了非常規(guī)“巨磁阻”效應(yīng)。常規(guī)巨磁阻效應(yīng)是由自旋相關(guān)的電子散射造成的，現(xiàn)今被廣泛應(yīng)用于電腦硬盤數(shù)據(jù)的讀取。由磁性與非磁性材料組成的多層膜結(jié)構(gòu)是硬盤讀取磁頭的關(guān)鍵組件，當(dāng)該結(jié)構(gòu)處于硬盤磁疇產(chǎn)生的磁場中時(shí)，自旋相關(guān)的電子散射會(huì)被抑制，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)電阻的大幅降低，從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的識別和讀取。與常規(guī)巨磁阻效應(yīng)不同，納米“鉆戒”中的“巨磁阻”效應(yīng)是庫珀對的湮滅導(dǎo)致的。在外加磁場中，納米“鉆戒”中的庫珀對被拆分成單電子，這些單電子的釋放使得體系變得“有電可導(dǎo)”，從而電阻驟降。
       該研究揭示了一系列新穎的量子現(xiàn)象，拓展了對材料傳統(tǒng)分類的認(rèn)識，為超導(dǎo)量子器件的開發(fā)提供了新的物理基礎(chǔ)、材料平臺和設(shè)計(jì)思路。丹麥高等研究院張固非教授發(fā)起了該項(xiàng)研究，并和北京工業(yè)大學(xué)柯小行教授、日本國立物質(zhì)材料研究所廖梅勇主席研究員、比利時(shí)魯汶大學(xué)劉立旺博士、中南大學(xué)李業(yè)軍教授等人擔(dān)綱了主要研究工作。