在這座島嶼上,物理學家發現了奇特的寶藏!

文章來源:原理

在這座島嶼上,物理學家發現了奇特的寶藏!

先來講一個小故事:

  在物理學的海洋中,有一座奇異的島嶼,名為“單線態島”。這座島嶼的溫度由北向南越來越暖。在最北部的極寒地區,溫度低于-271.5攝氏度(或者說1.6開爾文),那里居住著一些具有神奇能力的居民——“超導人”,他們非常畏懼高溫,一旦溫度過高,超能力便會失效。偶爾,你能在高于30開爾文的中部島嶼上發現他們的蹤跡,但南部對他們來說似乎實在太熱了。

除了溫度之外,這座島嶼上的山峰也會對超導人造成影響,山峰的磁場會干擾超導人的超導能力。外部的探險家非常想要借用超導人的這種神奇力量。這種力量非常強大,探險家若想要建造出一種名為量子計算機的強大機器,就必須要有超導人的幫忙。因此他們從未停止在全島搜索超導人的下落,包括島嶼南部。

探險者在單線態島上發現了很多超導人,后來他們聽島上的超導人說,在很久很久以前,有一部分超導人漂洋過海去到了位于單線態島東部的島嶼,并告訴他們,在那座島嶼上,或許也居住著他們的同伴。

探險家立即出發前往那座島嶼,果不其然,在那座名為“三重態島”的島嶼上,他們遇到了一些非常罕見的超導人。而更重要的是,他們在三重態島的北部地區意外地發現了有一種名為碲化鈾(UTe?)的超導人,這種超導人似乎絲毫不受高聳山峰對它們施加的磁場的影響。無論周圍環境如何干擾,它們仍能維持其超導能力,這不禁讓探險家喜出望外:這不正是制造量子比特的絕佳人才嗎!

其實,上面這則小故事中的UTe?是一種超導材料。在最近的《科學》雜志上,來自美國國家標準技術研究所(NIST)的科學家詳細描述了這種材料擁有的一些非比尋常的特性,無論從技術應用還是基礎科學的角度,這些罕見的性質都非常有趣。

一直以來,科學家都非常希望能夠找到適合建造量子計算機的材料。在研發過程中所遇到的眾多難題中,其中一個就是他們需要讓量子計算機的內存存儲開關(即量子比特)可以運行足夠長的時間,這樣才能在失去允許它們作為一個整體運行的微妙物理關系之前,完成一次計算。而這種微妙的物理關系就是量子相干,在周圍環境的干擾下,量子相干非常難以維持,這是一件很難做到的事。

但這次的意外發現讓科學家意識到,似乎可以利用具有超強的抗磁能力的UTe?來幫助解決這個難題。在超導材料中,具有如此強大的抗磁場能力是非常罕見的,這為設計量子比特提供了獨特的優勢。其主要原因是,它對那些容易進入量子計算的誤差具有很強的抵抗能力。UTe?可以為一個的量子計算機創造出高效的量子比特,這對新生的量子計算機產業格外具有吸引力。甚至有科學家稱,UTe?這種材料或許將成為量子信息時代的硅。

首先,UTe?具有非常特別的導電方式。在UTe?這種超導材料中,它的電子“配對”方式是與其他超導材料不同。何為“配對”?我們知道,在銅線或一些其他的普通導體中,電子是以單個粒子的形式運動的;但在所有的超導體中,它們都會成對,形成所謂的“庫珀對”。這些材料之所以具有超導性,就是因為具有能讓電子配對的電磁相互作用。

對庫柏對來說,尤為重要的是電子的量子“自旋”,這是所有電子都具有的性質,有了自旋,每個電子的行為都像是它們被一個小型的條形磁鐵穿過了一樣。在大多數超導材料中,成對電子的量子自旋一個指向上方,一個伴指向下方。這種相反的配對被稱為自旋單線態。

在已知的超導體中,還有一小部分“不守規矩”的材料,它們的庫珀對的自旋可以有三種組合方式,使它們成為了所謂的自旋三重態,它們的自旋可以朝著同一方向。UTe?就是其中之一。

大多數自旋三重態的超導體也被預測為是“拓撲”超導體,它們具有一種具有非常有用的特性,那就是超導性可以在材料的表面發生,而且即使遭受到了外部干擾,也能維持超導性。也就是說,這種擁有平行自旋的庫珀對或許能完美地讓量子計算機維持其功能,它們不會因為量子漲落而崩潰。

到目前為止,所有的量子計算機都需要一種能用來糾正那些能從它們周圍悄悄潛入的錯誤的方法。在這個問題上,超導材料一直被認為具有普遍的優勢,而拓撲超導體特性還具有無需量子誤差校正的額外優勢。一個拓撲超導體可以提供一個沒有錯誤的量子比特,而且它們還可能擁有很長的壽命。拓撲超導是實現量子計算的另一種途徑,它們可以保護量子比特免受環境影響。

發現UTe?實屬偶然,這是研究人員在探索鈾基磁鐵時的一個意外驚喜。其實早在20世紀70年代,UTe?就已被創造出來了。即使到最近,科學界也普遍認為它不具有任何特別引人注目的性質。而這次,研究人員是在合成相關材料的過程中,碰巧制造出了一些UTe?,于是他們在較低的溫度下對其進行了測試,看看是否遺漏了什么現象。結果,他們很快意識到,在他們手上攥著的,或許是對量子計算機非常特別的寶藏。

接著,他們開始用專業的工具來探索UTe?,發現當UTe?處于低溫時會變成超導,其超導特性與那些稀有的超導體類似。不過那些超導體同時也是鐵磁性的,就像低溫永磁體一樣。而奇怪的是,UTe?本身并非鐵磁性的。因此從這個層面上看,可以說UTe?從根本上就是一種全新的超導材料。

除此之外,它對磁場有很強的抵抗力。一般情況下,超導性都會遭到磁場的破壞,但對UTe?來說,根據磁場的不同作用方向,UTe?可以承受高達35特斯拉的磁場。這是一個普通的冰箱磁鐵強度的3500倍,是大多數低溫拓撲超導體所能承受的強度的許多倍。

不過目前,研究人員還沒有最終確認UTe?就是拓撲超導體,但根據它所表現出的對強磁場不同尋常的抵抗力,它是拓撲超導體的可能性很大。通過進一步的探索,或許研究人員將可以更好地理解UTe?的性質,甚至更好地理解超導本身,從而更好地了解應該去哪里尋找尚未發現的超導材料——這是超導研究的一個主要目標。

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