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手性超导现象首次获得实验验证

络遇
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科学家近日首次发现手性超导现象,即超导状态下,电流只能从一根手性纳米管的一端流向另一端,却不能反向流动。之前,人类只发现过非手性材料的超导现象,即电流无论从材料棒的哪一段进入,都可以从另一端出来。

手性超导现象首次获得实验验证

当磁场施加于手性超导纳米管上时,电信号只能单向传播。左图为原理示意图,右图为电子显微镜观察到的单个二硫化钨纳米管。

来自日本、美国和以色列科研人员组成的团队在最近一期的《Nature Communication》上发表了关于首次发现手性超导现象的论文。

手性材料拥有与其对称,但又不同的镜像材料,就像左手和右手虽然看似相同,其实互为镜像,并不能重叠为一。超导材料则可以在低温下实现零电阻,手性超导材料整合了以上2个特性。

手性超导材料的实验存在诸多挑战。尽管碳纳米管是一种易得的手性材料,同时也具有超导性质,然而是迄今为止,科学家只在大量碳纳米管形成的组织中观察到超导特性,却还没有在单根碳纳米管中观测到超导特性。

文章共同作者,东京大学的山内翔(Toshiya Ideue)表示,该工作最重要的突破在于:首次在单独的纳米管中实现了超导。这使得人类可以进一步研究管状或者手性等材料结构特征,会对超导特性产生哪些影响。

该实验之所以能成功,得益于这种全新的二维纳米材料——二硫化钨,它也是目前唯一能够进行手性纳米材料实验的材料。二硫化钨在电子技术、激光技术和其他领域具有很多潜在用途。

科学家首先把纳米管冷却到5.8凯尔文(约合摄氏零下267度),让材料进入超导态。作为手性材料的二硫化钨纳米管,可以在低温下通过一种被称为“离子液体门极化”(liquid ionic gating)的实验手段,呈现出超导特性。

接下来,研究团队给纳米管施加外部磁场,磁力线方向与纳米管平行。这时,他们发现,有微弱的不对称信号,从纳米管的一段流向另一端。而这些信号在非手性超导材料中是极其微弱。

山内表示,非对称电流仅仅在磁力线平行于纳米管时才会出现。如果没有磁场,那么电流是对称的。从理论上来说,即便纳米管处于非超导态,平行磁场也可以激发非对称电流,但是科学家并没有在实验中观测到。

目前,科学家并不完全清楚手性超导纳米管中非对称电流的产生原因,而这些相关机制将是他们未来研究的重点之一。研究团队将进一步深入探索手性和超导性的关系。

尽管目前讨论手性超导的应用可能还为时尚早,科学家们还是将手性超导现象和现有技术进行了对比。

而明显可见的是,手性超导类似于二极管的单向导通效应,因此应该可以用来制造超导电路中的超导二极管。

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