原子尺度的超导窗口，助力新量子材料开发

文|陈根

1911年，荷兰物理学家昂内斯（Onnes）首次发现了超导现象：当金属汞被冷却到4K以下时，它的电阻会突然消失。1957年，美国物理学家巴丁、库珀和施里弗三人提出了BCS理论，对超导现象作出了理论解释。

根据BCS理论，其能够近似地给出金属内部具有吸引相互作用的电子系统的量子多体状态，在这种状态下，它们被吸引相互作用束缚成库珀对。库珀对是一个重要的量子效应，当一个电子在导体中移动时，它会被其他电子排斥，但它也会吸引构成金属刚性晶格的正离子。

这种吸引力会使离子晶格发生扭曲，使离子轻微地向电子移动，从而增加晶格附近的正电荷密度。而这些正电荷则会吸引其他电子，长距离下，电子与阳离子的吸引力会克服电子间的排斥力而配对。

此前，研究人员对库珀对的出现多是通过宏观方式间接测量的，但近日，阿尔托大学和美国橡树岭国家实验室的科学家们开发了一项新技术，可以以原子级的精度检测库珀对的出现。

当一个电子与另一个电子在金属和超导体的交界处配对，它可以形成一个进入超导体的库珀对，同时也将另一种粒子“踢回”金属，这个过程被称为安德烈夫反射。研究人员正是通过安德烈夫反射来检测库珀对。

实验中，研究人员测量了一个原子尺度的金属尖端和一个超导体之间的电流，检测到返回超导体的安德烈夫反射量，同时保持与单个原子相当的成像分辨率。通过确定库珀对的波函数在原子尺度上的重建，理解了它们与原子尺度的杂质和其他障碍物是如何相互作用的。

库珀对在非常规超导体中具有独特的内部结构，到目前为止，理解这些结构十分困难。但该方法在原子尺度上对库珀对进行了直接实验探测，为理解量子材料提供了一种全新的方法。

可以说，该方法代表着科学界对量子材料理解向前迈进了一大步，未来，期待该方法能够推动新量子材料的开发。