仅有一个原子高的“量子高速公路”或将革新超导体

日本国家材料科学研究所（NIMS）下属的材料纳米架构研究中心（MANA）的研究人员取得一项新发现。他们的研究结果提供了一种控制量子行为的新思路，未来或许能帮助工程师开发出能耗更低、信息处理更高效的超导电子器件。

为什么控制量子涡旋很重要？超导材料是一种特殊材料：当温度低于某个临界值时，它们可以在几乎没有电阻的情况下导电。这一特性使超导材料非常适合用于开发极低能耗的电子器件和其他先进技术。

不过，超导材料内部也会存在一些微小的量子结构，称为“涡旋”。当磁场穿透材料时，会在局部形成被环流电流包围的小区域。这些涡旋一旦移动，就可能产生电阻，影响超导器件的性能。因此，如果能控制涡旋的移动路线，科学家就可能改进超导器件。然而，在极薄的二维超导体中引导涡旋运动一直特别困难。

为研究这一难题，MANA研究团队由内桥隆带领，研究了一种表面带有等间距原子台阶的超薄超导体。原子台阶可以理解为材料表面上高度只有一层原子的小台阶。研究人员使用扫描隧道显微镜，即一种可在原子尺度上观察表面结构的仪器，发现这些台阶彼此平行，并直接看到涡旋会沿着台阶分布。相关成果发表在国际期刊《物理评论B》（Physical Review B）上。

实验显示，原子台阶就像量子运动的小轨道。通过四端电阻测量，即一种能精确测量电阻的方法，团队发现，在中等磁场下，涡旋沿着原子台阶移动要比垂直跨过台阶移动容易1000倍以上。也就是说，原子台阶为量子涡旋提供了一条“偏好通道”。

内桥隆表示，他们的研究表明，原子尺度的台阶可以作为有效轨道来引导超导涡旋，而且这种引导效果可以通过改变温度或磁场来调节。研究人员还发现一种特别有趣的现象：当磁场约为0.10到0.20特斯拉，特斯拉是衡量磁场强度的单位时，涡旋可以沿着台阶自由流动，而不会被材料中的缺陷“钉住”。这种现象被称为“一维无钉扎涡旋流动”，意思是涡旋能沿着一条明确路径运动，而不会被普通障碍限制住。

在更低温度下，研究人员还观察到另一种异常效应：涡旋的运动受量子隧穿支配。量子隧穿是一种量子现象，即量子物体可以穿过按经典物理理解本应无法越过的能量障碍。

这些发现说明，即使表面上高度只有一层原子的微小结构，也能对量子涡旋的运动产生强烈影响。科学家未来可以利用这些原子台阶作为天然导轨，更精细地控制涡旋运动。通过温度或磁场调节涡旋运动，也为操控超导材料行为提供了新手段。虽然实际应用还需要进一步发展，但这种原子尺度的方法有望帮助研究人员在未来超导技术中同时管理涡旋运动和热流，从而可能实现更省电、更高效的器件。