超导体的新数学关系

超薄超导膜中的铌和氮原子帮助MIT研究人员发现了超导的普遍定律。

麻省理工学院的工程师发现了材料厚度，温度和电阻之间的一种新的数学关系，这种关系似乎适用于所有超导体。

结果可能会揭示超导性的本质，也可能导致为量子计算和超低功耗计算等应用设计更好的超导电路。最新一期《 Physical Review B》中对这些发现进行了描述。

麻省理工学院电子研究实验室的博士后Yachin Ivry说：“我们能够利用这些知识来制造以前实际上不可能做到的大面积器件，并且器件的产量大大提高了。”作者在纸上。

Ivry在量子纳米结构和纳米制造小组工作，该小组由电气工程学教授，论文的共同作者之一卡尔·伯格格伦（Karl Berggren）领导。除其他外，该小组研究超导体的薄膜。

超导体是在接近绝对零的温度下不表现出电阻的材料。这意味着在其中感应出电流只需很少的能量。一个光子就能解决问题，这就是为什么它们可以用作量子光电探测器的原因。从原理上讲，由超导电路构建的计算机芯片将消耗的能量大约是传统芯片的一百分之一。

伊夫里说：“薄膜在科学上很有趣，因为它们使您更接近我们所谓的超导到绝缘的过渡。”“超导现象是一种依赖于电子的集体行为的现象。因此，如果规模越来越小，就会开始出现集体行为。”

恼人的变化

特别是，艾弗里（Ivry）研究了氮化铌，这种材料受到研究人员的青睐，因为它具有大块的“临界温度”，即从普通金属转变为超导体的温度。但是，像大多数超导体一样，当它沉积在纳米器件所依赖的薄膜中时，其临界温度会下降。

先前的理论工作已将氮化铌的临界温度表征为薄膜厚度或其在室温下测得的电阻率的函数。但是，没有一种理论似乎能解释艾夫里获得的结果。他说：“我们看到分散的趋势很大，没有明显的趋势。”“没有意义，因为我们是在相同条件下在实验室中培育它们的。”

因此，研究人员进行了一系列实验，他们在改变其他参数的同时，使厚度或“薄层电阻”（材料的单位面积电阻）保持恒定。然后他们测量了随之而来的临界温度变化。一个清晰的模式出现了：厚度乘以临界温度等于一个常数-称为A-由提高到特定功率的薄层电阻推动-称为B。

推导该公式后，艾弗里将其与超导体文献中报道的其他结果进行了核对。然而，随着他咨询的第一篇外部论文，他的最初的兴奋感消失了。尽管它报告的大多数结果都非常符合他的公式，但其中两个却出现了问题。然后，一位熟悉该论文的同事指出，该论文的作者在脚注中承认这两项测量结果可能反映出实验错误：当建造他们的测试设备时，研究人员忘记打开他们用来沉积胶片的一种气体。

扩大范围

艾夫里（Ivry）查阅的其他氮化铌纸证明了他的预言，因此他开始扩展到其他超导体。他研究的每种新材料都需要他调整公式的常数-A和B。但是，据报道，大约三打不同的超导体的结果中包含的方程式的一般形式。

每个超导体都具有自己的关联常数并不一定令人惊讶，但是Ivry和Berggren并不高兴他们的方程式需要其中两个。但是，当Ivry将他调查过的所有材料的A与B作图时，结果却是一条直线。

在常数之间找到直接关系可以使他在方程的一般形式中仅依赖其中之一。但也许更有趣的是，生产线两端的材料具有独特的物理特性。顶部的那些具有高度无序的晶体结构，或者从技术上讲是“无定形”的晶体结构。底部的那些更有序，或“颗粒状”。因此，伊夫里（Ivry）试图消除他的等式的最初尝试可能已经为小规模超导体的物理学提供了一些见识。

法国另类能源与原子能委员会超导电性研究人员克劳德·夏佩利尔（Claude Chapelier）说：“迄今为止，尚无公认的理论能用如此广泛的材料来解释临界温度与薄层电阻和厚度之间的关系。”“有几种模型无法预测相同的事物。”

Chapelier说，他希望看到有关这种关系的理论解释。但是与此同时，“这对于技术应用来说非常方便，”他说，“因为结果的分布很多，而且没人知道他们是否会为超导设备获得优质的薄膜。通过将材料放入该法则，您已经知道它是否是一部优质的超导膜。”

出版物：Yachin Ivry等人，“超导到绝缘转变附近薄膜的临界温度的通用标度”，物理。B 90，214515，2014年12月15日; doi：10.1103 / PhysRevB.90.214515

研究报告的PDF副本：薄膜在超导到绝缘转变附近的临界温度的通用标度

图像：亚钦·艾夫里（Yachin Ivry）