量子涨落的“突然消亡”违背了当前的超导理论

普林斯顿大学的物理学家在对可以轻松转换成超导体的三原子薄绝缘体进行实验时发现了量子行为的突然变化。

这项研究有望增强我们对固体量子物理的理解，并推动量子凝聚态物理和超导性的研究朝着潜在的新方向发展。结果发表在期刊上自然物理在题为“单层 WTe 中的非常规超导量子临界性₂“”。

由普林斯顿大学物理学助理教授吴三峰领导的研究人员发现，量子力学涨落的突然停止（或“死亡”）表现出一系列独特的量子行为和特性，这些行为和特性似乎超出了现有理论的范围。

涨落是即将发生相变的材料的热力学状态的暂时随机变化。相变的一个常见例子是冰融化成水。普林斯顿实验研究了超导体在接近绝对零度的温度下发生的涨落。

“通过直接观察跃迁附近的量子涨落，我们发现了一种新的量子相变的明显证据，这种相变不符合该领域已知的标准理论描述，”吴说。“一旦我们理解了这一现象，我们认为就有可能出现一种令人兴奋的新理论。”

量子相和超导性

在物理世界中，当液体、气体或固体等物质从一种状态或形式转变为另一种状态或形式时，就会发生相变。但相变也会发生在量子层面。这些发生在接近绝对零度（-273.15 摄氏度）的温度下，并涉及对某些外部参数（如压力或，而不会升高温度。

研究人员特别感兴趣的是超导体（一种无电阻导电的材料）中量子相变的发生方式。超导体可以加速信息处理，并成为医疗保健和交通运输中使用的强力磁铁的基础。

“超导相如何转变为另一相是一个有趣的研究领域，”吴说。“我们一直对原子级厚度、清洁和单晶材料中的这一问题感兴趣。”

当电子配对并一起流动时，就会发生超导现象，而且不会产生阻力，也不会耗散能量。通常情况下，电子在电路和电线中以不稳定的方式移动，相互碰撞，最终导致效率低下和浪费能源。但在超导状态下，电子会以节能的方式协同作用。

超导性自 1911 年就已为人所知，尽管它是如何以及为何起作用在很大程度上仍是一个谜，直到 1956 年量子力学开始揭示这一现象。但直到最近十年左右，人们才在干净、原子厚度的二维材料中研究超导性。事实上，长期以来，人们认为二维世界中不可能存在超导性。

“之所以会出现这种情况，是因为当你进入较低维度时，波动会变得非常强烈，以至于会‘扼杀’任何超导的可能性，”普林斯顿大学尤金希金斯物理学教授兼论文作者 N. Phuan Ong 说。

波动破坏二维超导性的主要方式是所谓的量子涡旋（复数：涡旋）的自发出现。

每个涡旋都类似于一个微小的漩涡，由被困在旋转电子流内的微观磁场线组成。当样品升温到一定温度以上时，涡旋会自发成对出现：涡旋和反涡旋。它们的快速运动会破坏超导状态。

“涡流就像漩涡，”翁说。“它们是浴缸放水时看到的涡流的量子版本。”

物理学家现在知道，在低于某一特定温度的条件下，超薄膜中确实存在超导性这种现象被称为 BKT 跃迁，以凝聚态物理学家 Vadim Berezinskii、John Kosterlitz 和 David Thouless 的名字命名。后两位与普林斯顿大学物理学家、谢尔曼费尔柴尔德大学物理学教授 F. Duncan Haldane 共同获得了 2016 年诺贝尔物理学奖。

BKT 理论被广泛认为成功描述了量子涡旋如何在二维超导体中扩散并破坏超导性。该理论适用于通过加热样品诱发超导转变的情况。

当前实验

如何在不升高温度的情况下破坏二维超导性是超导和相变领域的一个活跃研究领域。在接近绝对零度的温度下，量子跃迁是由量子涨落引起的。在这种情况下，跃迁不同于温度驱动的 BKT 跃迁。

研究人员从二碲化钨（WTe₂) 被归类为层状半金属。研究人员首先将二碲化钨转化为二维材料，方法是逐渐剥落或剥离该材料，直至其变成单原子薄层。

在这种厚度下，该材料表现为非常强的绝缘体，这意味着其电子运动受限，因此无法导电。令人惊讶的是，研究人员发现该材料表现出一系列新颖的量子行为，例如在绝缘相和超导相之间切换。他们能够通过构建一个功能类似于“开和关”开关的设备来控制这种切换行为。

但这只是第一步。研究人员接下来将材料置于两个重要条件下。他们做的第一件事是将二碲化钨冷却到极低的温度，大约 50 毫开尔文 (mK)。

五十毫开尔文为-273.10°摄氏度（或-459.58°华氏度），这是一个量子力学效应占主导地位的极低温度。

研究人员随后通过向材料中引入一些额外的电子，将材料从绝缘体转变为超导体。实现超导状态不需要太多电压。“只需很小的栅极电压就可以将材料从绝缘体变为超导体，”物理学博士后研究员、论文第一作者宋天成说。“这确实是一个了不起的效果。”

研究人员发现，通过栅极电压调节材料中的电子密度，可以精确控制超导特性。在临界电子密度下，量子涡旋迅速增殖并破坏超导性，促使量子相变发生。

为了检测这些量子涡旋的存在，研究人员在样品上创建了一个微小的温度梯度，使钨二碲化物的一侧比另一侧略热。“涡旋会寻找较冷的边缘，”Ong 说。“在温度梯度中，样品中的所有涡旋都会漂移到较冷的部分，因此你创建的是一条从较热部分流向较冷部分的涡旋之河。”

涡流在超导体中产生可检测的电压信号。这是由于一种以诺贝尔物理学奖得主布莱恩·约瑟夫森命名的效应，他的理论预测，每当涡流流穿过两个电触点之间的一条线时，它们就会产生微弱的横向电压，可以用纳伏计检测到。

“我们可以验证这是约瑟夫森效应；如果你反转磁场，检测到的电压也会反转，”翁说。

“这是涡流的一个非常特殊的特征，”吴补充道。“直接检测这些移动的涡流为我们提供了一种测量样品中量子涨落的实验工具，这是其他方法难以实现的。”

令人惊讶的量子现象

一旦作者能够测量这些量子涨落，他们就会发现一系列意想不到的现象。第一个惊喜是涡旋的非凡稳健性。实验表明，这些涡旋在比预期高得多的温度和磁场下仍能持续存在。它们在材料电阻相中，在远高于超导相的温度和磁场下也能存活。

第二个重大惊喜是，当电子密度被调整到刚好低于超导态量子相变发生的临界值时，涡旋信号突然消失。在这个电子密度的临界值下，研究人员称之为量子临界点 (QCP)，它代表相图中零温度下的一点，量子涨落驱动相变。

吴说：“我们预计非超导侧的临界电子密度以下会持续存在强烈波动，就像在 BKT 转变温度以上看到的强烈波动一样。”

“然而，我们发现，当电子密度超过临界值时，涡旋信号‘突然’消失。这令人震惊。我们根本无法解释这一观察结果——波动的‘突然消失’。”

Ong 补充道：“换句话说，我们发现了一种新型的量子，但我们不明白。”

在凝聚态物理领域，目前有两种成熟的理论可以解释超导体的相变，即金兹堡-朗道理论和BKT理论。然而，研究人员发现，这两种理论都无法解释所观察到的现象。

吴说：“我们需要一个新理论来描述这个案例中发生的事情，这是我们希望在未来的研究中获得理论和实验双重解决的问题。”