超導(dǎo)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(jìn)量子器件的基本構(gòu)筑單元。大量研究表明，在直徑小于相干長度的一維納米線中，超導(dǎo)序參量的拓?fù)洳▌樱聪嗷疲梁扃陮Φ哪郏沽孔酉到y(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)、比利時列日大學(xué)、英國布里斯托大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、比利時魯汶大學(xué)、中南大學(xué)和丹麥高等研究院的研究人員組成的國際科研團(tuán)隊在三維超導(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)殡娮栉玻平^對零度。與其電阻的溫度依賴性一致，當(dāng)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(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)將推動在納米尺度約束下超導(dǎo)有序參數(shù)拓?fù)洳▌訖C(jī)制的實驗和理論研究。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(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。