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铂铋二超导体展现独特三明治结构:表面零电阻 内部普通金属

发布时间: 2026-01-10 10:22:48    最后更新: 2026-08-21 02:07:07    阅读:151  约3 分钟阅读     

新型超导体像三明治:表面零电阻 内藏普通金属
量子计算机示意图。德国科学家发现新型的超导体“铂铋二”有望为量子运算提供新平台,且成为拓朴量子运算之中的核心关键。(Shutterstock)

【中国观察北京时间2026年01月04日讯】物理学家近期发现新型超导体'铂铋二'(PtBi₂)内部隐藏着前所未见的电子世界。这种材料表面呈现超导特性,允许电子零电阻通过,而内部则保持普通金属状态。更引人注目的是,其表面电子配对模式突破了传统超导物理规则,为量子科学领域带来新机遇。

德国莱布尼茨固体与材料研究所(IFW Dresden)联合多国科学家,发现这种闪亮的灰色晶体'铂铋二'具有令人意外的特性,可能成为量子电脑与量子技术的新平台。相关研究发表于《自然》(Nature)期刊。

尽管2024年已确认'铂铋二'表面存在超导特性,但最新研究揭示其表面电子配对方式与传统铜氧化物高温超导体的'四重对称性'(d波)截然不同,而是首个被证实具有'六重对称性'(i波)的超导体。

研究团队指出,这种异常源于材料特殊的拓扑性质。该性质使部分电子被严格限制在晶体上下表面,且拓扑保护状态极其稳定,除非改变晶体结构或施加强磁场,否则电子状态难以被破坏。

'铂铋二'的独特之处在于,无论晶体尺寸如何变化,其表面束缚电子始终与内部电子匹配。若将晶体切割,新暴露的表面会立即形成相同束缚电子。低温下表面电子开始配对并可无阻力移动,但内部电子仍保持普通金属特性。研究人员将其结构比喻为'天然的超导三明治'。

更令人惊奇的是,该材料表面边缘存在难以捉摸的天然'马约拉纳粒子'。这些粒子被视为构建容错量子位元(qubit)的理想材料。马约拉纳粒子成对出现,若分离可抵抗环境杂讯,这是拓扑量子运算的核心关键。

由于'铂铋二'的异常超导电性及边缘束缚的马约拉纳粒子已被发现,研究人员正致力于控制这些效应。策略包括改变材料厚度使其从导电金属转变为绝缘体,或施加磁场让马约拉纳粒子迁移。

研究团队强调,目前认为少数材料具有拓扑超导性(topological superconductor, TSC),但缺乏有力实验证据,而'铂铋二'是实际的拓扑超导体。这为生产马约拉纳粒子提供了新途径,而该粒子一直是凝聚态物理领域长期追求的目标。

论文作者、德国德勒斯登莱布尼茨固体与材料研究所的谢尔盖‧鲍里(Sergey Borisenko)博士表示,'铂铋二'是一种拓扑超导体,其表面电子配对方式与传统超导体不同,但其形成机制尚不明确。

IFW理论固体物理研究所所长杰罗恩‧范登布林克(Jeroen van den Brink)补充称,理论计算显示'铂铋二'的拓扑超导性会自动产生马约拉纳粒子,且可人为制造台阶边缘以获得所需粒子。

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