微小的量子电子涡旋可以以前所未有的方式在超导体中循环

KTH皇家理工学院和斯坦福大学的一项新研究修正了我们对超导体中量子涡旋的理解。图为艺术家对量子漩涡的描绘。来源：格雷格·斯图尔特，SLAC 国家加速器实验室

在超导体内部，可能会发生小的电子龙卷风，称为量子涡旋，这在量子传感器等超导应用中具有重要意义。现在发现了一种新的超导涡旋，一个国际研究小组报告说。

斯德哥尔摩KTH皇家理工学院教授Egor Babaev表示，这项研究基于2003年诺贝尔奖认可的量子涡旋工作，修改了对超导体中电子流如何发生的普遍理解。KTH的研究人员与斯坦福大学，上海TD Lee研究所和筑波AIST的研究人员一起发现，超导体涡旋产生的磁通量可以分为比想象的更广泛的值。

这代表了对超导基本原理的新见解，并且也可能应用于超导电子学。

当外部磁场施加到超导体上时，就会发生磁通量涡旋。磁场以量子化磁通管的形式穿透超导体，形成涡旋。巴巴耶夫说，最初的研究认为量子涡旋穿过超导体，每个超导体携带一个量子磁通量。但是量子通量的任意分数在早期的超导理论中并不是一种可能性。

使用斯坦福大学超导量子干涉装置（SQUID），研究科学家Yusuke Iguchi和Kathryn A. Moler教授在微观水平上表明量子涡旋可以存在于单个电子波段中。该团队能够创造并围绕这些分数量子涡旋移动，Moler说。

“巴巴耶夫教授多年来一直告诉我，我们可以看到这样的东西，但直到井口博士真正看到它并进行了一些详细的检查，我才相信它，”她说。

Iguchi说，斯坦福大学的研究人员发现，对这种现象的最初观察“非常罕见”，以至于他们在不同的位置和温度下重复了75次实验。

这项工作证实了巴巴耶夫20年前发表的预测，该预测认为，在某些种类的晶体中，超导材料的电子群的一部分可以形成顺时针循环涡旋，而其他电子可以同时形成逆时针涡旋。“这些组合的量子龙卷风可以携带任意比例的通量量子，”他说。

“这修正了我们对超导体中量子涡旋的理解，”他说。

莫勒肯定了这一结论。“25年来，我一直在研究新型超导体中的涡流，但我以前从未见过这种情况，”她说。

巴巴耶夫说，量子涡旋的鲁棒性以及控制它们的可能性表明，量子涡旋有可能被用作超导计算机中的信息载体。

“我们获得的知识，由我们的同事Iguchi博士和斯坦福大学Moler教授引入的壮观方法，从长远来看可能对某些量子计算平台有所帮助，”Babaev说。

该研究发表在《科学》杂志上。

更多信息：井口雄介，携带通量量子温度依赖性部分的超导涡旋，科学（2023）。DOI： 10.1126/science.abp9979.www.science.org/doi/10.1126/science.abp9979

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