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在这座岛屿上,物理学家发现了奇特的宝藏!

发布时间:2019-08-17 | 人围观

其实,上面这则小故事中的UTe₂是一种超导材料。在最近的《科学》杂志上,来自美国国家标准技术研究所(NIST)的科学家详细描述了这种材料拥有的一些非比寻常的特性,无论从技术应用还是基础科学的角度,这些罕见的性质都非常有趣。
 
  一直以来,科学家都非常希望能够找到适合建造量子计算机的材料。在研发过程中所遇到的众多难题中,其中一个就是他们需要让量子计算机的内存存储开关(即量子比特)可以运行足够长的时间,这样才能在失去允许它们作为一个整体运行的微妙物理关系之前,完成一次计算。而这种微妙的物理关系就是量子相干,在周围环境的干扰下,量子相干非常难以维持,这是一件很难做到的事。
 
  但这次的意外发现让科学家意识到,似乎可以利用具有超强的抗磁能力的UTe₂来帮助解决这个难题。在超导材料中,具有如此强大的抗磁场能力是非常罕见的,这为设计量子比特提供了独特的优势。其主要原因是,它对那些容易进入量子计算的误差具有很强的抵抗能力。UTe₂可以为一个的量子计算机创造出高效的量子比特,这对新生的量子计算机产业格外具有吸引力。甚至有科学家称,UTe₂这种材料或许将成为量子信息时代的硅。
 
  首先,UTe₂具有非常特别的导电方式。在UTe₂这种超导材料中,它的电子“配对”方式是与其他超导材料不同。何为“配对”?我们知道,在铜线或一些其他的普通导体中,电子是以单个粒子的形式运动的;但在所有的超导体中,它们都会成对,形成所谓的“库珀对”。这些材料之所以具有超导性,就是因为具有能让电子配对的电磁相互作用。
 
  对库柏对来说,尤为重要的是电子的量子“自旋”,这是所有电子都具有的性质,有了自旋,每个电子的行为都像是它们被一个小型的条形磁铁穿过了一样。在大多数超导材料中,成对电子的量子自旋一个指向上方,一个伴指向下方。这种相反的配对被称为自旋单线态。
 
  在已知的超导体中,还有一小部分“不守规矩”的材料,它们的库珀对的自旋可以有三种组合方式,使它们成为了所谓的自旋三重态,它们的自旋可以朝着同一方向。UTe₂就是其中之一。
 
  大多数自旋三重态的超导体也被预测为是“拓扑”超导体,它们具有一种具有非常有用的特性,那就是超导性可以在材料的表面发生,而且即使遭受到了外部干扰,也能维持超导性。也就是说,这种拥有平行自旋的库珀对或许能完美地让量子计算机维持其功能,它们不会因为量子涨落而崩溃。
 
  到目前为止,所有的量子计算机都需要一种能用来纠正那些能从它们周围悄悄潜入的错误的方法。在这个问题上,超导材料一直被认为具有普遍的优势,而拓扑超导体特性还具有无需量子误差校正的额外优势。一个拓扑超导体可以提供一个没有错误的量子比特,而且它们还可能拥有很长的寿命。拓扑超导是实现量子计算的另一种途径,它们可以保护量子比特免受环境影响。
 
  发现UTe₂实属偶然,这是研究人员在探索铀基磁铁时的一个意外惊喜。其实早在20世纪70年代,UTe₂就已被创造出来了。即使到最近,科学界也普遍认为它不具有任何特别引人注目的性质。而这次,研究人员是在合成相关材料的过程中,碰巧制造出了一些UTe₂,于是他们在较低的温度下对其进行了测试,看看是否遗漏了什么现象。结果,他们很快意识到,在他们手上攥着的,或许是对量子计算机非常特别的宝藏。
 
 
  接着,他们开始用专业的工具来探索UTe₂,发现当UTe₂处于低温时会变成超导,其超导特性与那些稀有的超导体类似。不过那些超导体同时也是铁磁性的,就像低温永磁体一样。而奇怪的是,UTe₂本身并非铁磁性的。因此从这个层面上看,可以说UTe₂从根本上就是一种全新的超导材料。
 
  除此之外,它对磁场有很强的抵抗力。一般情况下,超导性都会遭到磁场的破坏,但对UTe₂来说,根据磁场的不同作用方向,UTe₂可以承受高达35特斯拉的磁场。这是一个普通的冰箱磁铁强度的3500倍,是大多数低温拓扑超导体所能承受的强度的许多倍。
 
  不过目前,研究人员还没有最终确认UTe₂就是拓扑超导体,但根据它所表现出的对强磁场不同寻常的抵抗力,它是拓扑超导体的可能性很大。通过进一步的探索,或许研究人员将可以更好地理解UTe₂的性质,甚至更好地理解超导本身,从而更好地了解应该去哪里寻找尚未发现的超导材料——这是超导研究的一个主要目标。

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