超導(dǎo)納米線是單光子探測(cè)器、超高品質(zhì)因子微波諧振腔和量子電路等多種先進(jìn)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(zhǎng)度的一維納米線中，超導(dǎo)序參量的拓?fù)洳▌?dòng)（即相滑移）會(huì)妨害庫(kù)珀對(duì)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(dǎo)納米線中的電輸運(yùn)會(huì)受到熱激活相滑移或量子相滑移的嚴(yán)重影響。學(xué)界普遍認(rèn)為，與一維納米線相比，三維系統(tǒng)中的相滑移對(duì)超導(dǎo)效應(yīng)的影響幾可忽略。

       近日，來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)、比利時(shí)列日大學(xué)、英國(guó)布里斯托大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、比利時(shí)魯汶大學(xué)、中南大學(xué)和丹麥高等研究院的研究人員組成的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)在三維超導(dǎo)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(yuǎn)大于其相干長(zhǎng)度，因此深處于三維超導(dǎo)區(qū)域。低溫下，金剛石納米線的超導(dǎo)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(jìn)一步降低，重入電阻態(tài)緩慢衰減，演變?yōu)殡娮栉?，逼近絕對(duì)零度。與其電阻的溫度依賴性一致，當(dāng)變更磁場(chǎng)與電流時(shí)，金剛石納米線中的重入電阻態(tài)表現(xiàn)為深契于超導(dǎo)相變中的電阻峰。這些發(fā)現(xiàn)與一維超導(dǎo)納米線中量子相滑移效應(yīng)的相關(guān)特征高度相似。

       該研究制備的納米線由超導(dǎo)金剛石晶粒組成，而超導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(cè)到的重入電阻態(tài)。

       該研究首次證明了量子相滑移效應(yīng)也可對(duì)三維超導(dǎo)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(xué)，這些新發(fā)現(xiàn)將推動(dòng)在納米尺度約束下超導(dǎo)有序參數(shù)拓?fù)洳▌?dòng)機(jī)制的實(shí)驗(yàn)和理論研究。該研究成果表明，超導(dǎo)多晶金剛石納米線有望為磁通量量子比特和單光子探測(cè)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(guó)際編委，F(xiàn)rontiers in Electronic Materials編委，長(zhǎng)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(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)（金屬絕緣體相變、超導(dǎo)電性、鐵磁性、反常巨磁阻效應(yīng)及非線性霍爾效應(yīng)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。