科技日報(bào)訊 （記者常麗君）真正的二維物質(zhì)具有量子效應(yīng)和其它奇特現(xiàn)象，如一個(gè)原子厚的碳原子層石墨烯，具有獨(dú)特的力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)屬性。還有一種二維電子氣（2DEG），是平面電子集合，位于特殊半導(dǎo)體（如砷化鎵）間的接口，具有量子霍爾效應(yīng)、自旋霍爾效應(yīng)等現(xiàn)象。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)9月10日（北京時(shí)間）報(bào)道，對平面電子集合二維物質(zhì)的研究還相對較新，準(zhǔn)確地說，這種電子集合是一種二維液體，一般在過渡金屬氧化物（TMO）材料表面，電子密度很高，產(chǎn)生的相互作用比內(nèi)部更強(qiáng)。而且其用途廣泛，具有絕緣、導(dǎo)電、半導(dǎo)、超導(dǎo)甚至鐵磁的性質(zhì)。科學(xué)家希望在這種高密度、高相互作用的電子環(huán)境下能產(chǎn)生某些特異現(xiàn)象。

最近，美國馬里蘭大學(xué)物理學(xué)副教授、聯(lián)合量子研究所（JQI）成員詹姆斯·威廉姆在研究一種叫做鈦酸鍶（STO）的TMO材料的性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)它同時(shí)具有超導(dǎo)和鐵磁性，改變其電子密度就能從一種性質(zhì)轉(zhuǎn)化為另一種。相關(guān)論文發(fā)表在近日出版的《自然·物理學(xué)》雜志上。

在最新實(shí)驗(yàn)中，研究人員想看看超導(dǎo)電流在超導(dǎo)STO薄片之間的狹窄通道是怎樣流動(dòng)的。這種通道非常微小，跟人們認(rèn)為的電子波大小差不多，由此可能出現(xiàn)量子效應(yīng)。改變門電壓，可以控制通道開口大小和通過門柵流到另一邊的電流。

在低電壓下（密度小于8×1012電子/平方厘米），門柵仍是絕緣的，幾乎沒有電流；在中等電壓和密度下，出現(xiàn)了量子隧穿，某些電子對可以到另一邊去；在高電壓和更高密度下（約5×1013電子/平方厘米，比目前大部分FETs大100倍），微導(dǎo)區(qū)會(huì)實(shí)體化，當(dāng)這些區(qū)連接起來跨越門柵時(shí)，就形成了高效隧道，使超導(dǎo)電流自由通過。超導(dǎo)電流的電子并非單個(gè)地運(yùn)動(dòng)，而是以弱耦合形式形成配對，稱為庫珀對，兩個(gè)電子自旋方向相反。但這種量子超導(dǎo)只在特定范圍才會(huì)發(fā)生。

根據(jù)電流與門電壓之間的關(guān)系，電子流通過微小通道時(shí)，其自旋自由度被打破，就像磁鐵中的電子沒有方向自由，卻能協(xié)調(diào)排列一樣。高電子密度和強(qiáng)勢電子的相互作用，這在其它材料上是沒有的，可能產(chǎn)生了某類新型電子傳輸。

研究人員推測，這種性質(zhì)與一種新型超導(dǎo)相符，稱為P-波超導(dǎo)，但還需要更多研究來證明。而傳統(tǒng)超導(dǎo)是S-波超導(dǎo)，由庫珀對構(gòu)成了零電阻電流，在形狀上是球形的。而P-波超導(dǎo)，電子對更像一個(gè)小啞鈴。雖然人們尚未確切看到P-波超導(dǎo)，因?yàn)橐獦?gòu)建電子對的形狀非常困難，但本研究仍有重要意義。

總編輯圈點(diǎn)

現(xiàn)在對超導(dǎo)材料的研究，多是先通過理論進(jìn)行推測，然后對可能的材料進(jìn)行一一實(shí)驗(yàn)來找到合適的組合，成功常常需要碰運(yùn)氣。只有對超導(dǎo)理論有更深入的理解，對微觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律即量子理論有更深刻的認(rèn)識(shí)，才能更高效的尋找實(shí)用的超導(dǎo)材料。本研究是否發(fā)現(xiàn)了科學(xué)家努力尋找的P-波超導(dǎo)，現(xiàn)在還不得而知，但作為一個(gè)新現(xiàn)象，以及對這個(gè)現(xiàn)象的解釋，都將加深我們對超導(dǎo)態(tài)電子配對機(jī)制的理解，對整個(gè)超導(dǎo)學(xué)領(lǐng)域會(huì)有重大意義。