超導納米線是單光子探測器、超高品質(zhì)因子微波諧振腔和量子電路等多種先進量子器件的基本構(gòu)筑單元。大量研究表明，在直徑小于相干長度的一維納米線中，超導序參量的拓撲波動（即相滑移）會妨害庫珀對的凝聚，使量子系統(tǒng)退相干。取決于系統(tǒng)的工作溫度，超導納米線中的電輸運會受到熱激活相滑移或量子相滑移的嚴重影響。學界普遍認為，與一維納米線相比，三維系統(tǒng)中的相滑移對超導效應的影響幾可忽略。

       近日，來自哈爾濱工業(yè)大學、比利時列日大學、英國布里斯托大學、北京工業(yè)大學、比利時魯汶大學、中南大學和丹麥高等研究院的研究人員組成的國際科研團隊在三維超導多晶金剛石納米線中發(fā)現(xiàn)了與量子相滑移相關(guān)的重入電阻態(tài)。相關(guān)成果以Quantum Depletion of Superconductivity in Three-Dimensional Diamond Nanowires為題發(fā)表在量子領(lǐng)域旗艦期刊《Advanced Quantum Technologies》上。 

       這些金剛石納米線的直徑遠大于其相干長度，因此深處于三維超導區(qū)域。低溫下，金剛石納米線的超導相變被突然出現(xiàn)的電阻驟升打斷（重入電阻態(tài)）。隨著溫度進一步降低，重入電阻態(tài)緩慢衰減，演變?yōu)殡娮栉?，逼近絕對零度。與其電阻的溫度依賴性一致，當變更磁場與電流時，金剛石納米線中的重入電阻態(tài)表現(xiàn)為深契于超導相變中的電阻峰。這些發(fā)現(xiàn)與一維超導納米線中量子相滑移效應的相關(guān)特征高度相似。

       該研究制備的納米線由超導金剛石晶粒組成，而超導晶粒又被橫向高阻晶界分隔開來，因此具有竹節(jié)狀結(jié)構(gòu)。相應地，研究人員從概念上將這些三維納米線視為由約瑟夫結(jié)組成的一維鏈狀結(jié)構(gòu)，并利用Giordano為一維超導體系建立的量子相滑移理論模擬重現(xiàn)了三維金剛石納米線中觀測到的重入電阻態(tài)。

       該研究首次證明了量子相滑移效應也可對三維超導系統(tǒng)中的量子凝聚產(chǎn)生重要影響。重入電阻態(tài)的發(fā)現(xiàn)豐富了現(xiàn)有的相位滑移現(xiàn)象學，這些新發(fā)現(xiàn)將推動在納米尺度約束下超導有序參數(shù)拓撲波動機制的實驗和理論研究。該研究成果表明，超導多晶金剛石納米線有望為磁通量量子比特和單光子探測器等量子信息技術(shù)的研發(fā)開辟新路徑。

       論文信息

       Quantum Depletion of Superconductivity in Three-Dimensional Diamond Nanowires, Gufei Zhang*, Sen Zhang, and Jiaqi Zhu, et al. Advanced Quantum Technologies, 2400476 (2024). DOI: 10.1002/qute.202400476.

研究人員

張固非

       Functional Diamond國際編委，F(xiàn)rontiers in Electronic Materials編委，長期從事量子材料與微納器件領(lǐng)域的研究，主要致力于探索和研究人工合成金剛石中的電子強關(guān)聯(lián)效應（金屬絕緣體相變、超導電性、鐵磁性、反常巨磁阻效應及非線性霍爾效應等）。以第一作者和/或通訊作者在Science Advances、Advanced Materials、Physical Review Letters、ACS Nano、Advanced Functional Materials等TOP頂刊發(fā)表SCI論文45篇，另合作發(fā)表Nature Communications 2篇，共被引用1206次。