新型超导或将来自二维电子气

科技日报讯 （记者常丽君）真正的二维物质具有量子效应和其它奇特现象，如一个原子厚的碳原子层石墨烯，具有独特的力学、电学和光学属性。还有一种二维电子气（2DEG），是平面电子集合，位于特殊半导体（如砷化镓）间的接口，具有量子霍尔效应、自旋霍尔效应等现象。

据物理学家组织网9月10日（北京时间）报道，对平面电子集合二维物质的研究还相对较新，准确地说，这种电子集合是一种二维液体，一般在过渡金属氧化物（TMO）材料表面，电子密度很高，产生的相互作用比内部更强。而且其用途广泛，具有绝缘、导电、半导、超导甚至铁磁的性质。科学家希望在这种高密度、高相互作用的电子环境下能产生某些特异现象。

最近，美国马里兰大学物理学副教授、联合量子研究所（JQI）成员詹姆斯·威廉姆在研究一种叫做钛酸锶（STO）的TMO材料的性质时，发现它同时具有超导和铁磁性，改变其电子密度就能从一种性质转化为另一种。相关论文发表在近日出版的《自然·物理学》杂志上。

在最新实验中，研究人员想看看超导电流在超导STO薄片之间的狭窄通道是怎样流动的。这种通道非常微小，跟人们认为的电子波大小差不多，由此可能出现量子效应。改变门电压，可以控制通道开口大小和通过门栅流到另一边的电流。

在低电压下（密度小于8×1012电子/平方厘米），门栅仍是绝缘的，几乎没有电流；在中等电压和密度下，出现了量子隧穿，某些电子对可以到另一边去；在高电压和更高密度下（约5×1013电子/平方厘米，比目前大部分FETs大100倍），微导区会实体化，当这些区连接起来跨越门栅时，就形成了高效隧道，使超导电流自由通过。超导电流的电子并非单个地运动，而是以弱耦合形式形成配对，称为库珀对，两个电子自旋方向相反。但这种量子超导只在特定范围才会发生。

根据电流与门电压之间的关系，电子流通过微小通道时，其自旋自由度被打破，就像磁铁中的电子没有方向自由，却能协调排列一样。高电子密度和强势电子的相互作用，这在其它材料上是没有的，可能产生了某类新型电子传输。

研究人员推测，这种性质与一种新型超导相符，称为P-波超导，但还需要更多研究来证明。而传统超导是S-波超导，由库珀对构成了零电阻电流，在形状上是球形的。而P-波超导，电子对更像一个小哑铃。虽然人们尚未确切看到P-波超导，因为要构建电子对的形状非常困难，但本研究仍有重要意义。

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现在对超导材料的研究，多是先通过理论进行推测，然后对可能的材料进行一一实验来找到合适的组合，成功常常需要碰运气。只有对超导理论有更深入的理解，对微观物质的运动规律即量子理论有更深刻的认识，才能更高效的寻找实用的超导材料。本研究是否发现了科学家努力寻找的P-波超导，现在还不得而知，但作为一个新现象，以及对这个现象的解释，都将加深我们对超导态电子配对机制的理解，对整个超导学领域会有重大意义。