超导纳米线是单光子探测器、超高品质因子微波谐振腔和量子电路等多种先进量子器件的基本构筑单元。大量研究表明，在直径小于相干长度的一维纳米线中，超导序参量的拓扑波动（即相滑移）会妨害库珀对的凝聚，使量子系统退相干。取决于系统的工作温度，超导纳米线中的电输运会受到热激活相滑移或量子相滑移的严重影响。学界普遍认为，与一维纳米线相比，三维系统中的相滑移对超导效应的影响几可忽略。
近日，来自哈尔滨工业大学、比利时列日大学、英国布里斯托大学、北京工业大学、比利时鲁汶大学、中南大学和丹麦高等研究院的研究人员组成的国际科研团队在三维超导多晶金刚石纳米线中发现了与量子相滑移相关的重入电阻态。相关成果以Quantum Depletion of Superconductivity in Three-Dimensional Diamond Nanowires为题发表在量子领域旗舰期刊《Advanced Quantum Technologies》上。
这些金刚石纳米线的直径远大于其相干长度，因此深处于三维超导区域。低温下，金刚石纳米线的超导相变被突然出现的电阻骤升打断（重入电阻态）。随着温度进一步降低，重入电阻态缓慢衰减，演变为电阻尾，逼近绝对零度。与其电阻的温度依赖性一致，当变更磁场与电流时，金刚石纳米线中的重入电阻态表现为深契于超导相变中的电阻峰。这些发现与一维超导纳米线中量子相滑移效应的相关特征高度相似。
该研究制备的纳米线由超导金刚石晶粒组成，而超导晶粒又被横向高阻晶界分隔开来，因此具有竹节状结构。相应地，研究人员从概念上将这些三维纳米线视为由约瑟夫结组成的一维链状结构，并利用Giordano为一维超导体系建立的量子相滑移理论模拟重现了三维金刚石纳米线中观测到的重入电阻态。
该研究首次证明了量子相滑移效应也可对三维超导系统中的量子凝聚产生重要影响。重入电阻态的发现丰富了现有的相位滑移现象学，这些新发现将推动在纳米尺度约束下超导有序参数拓扑波动机制的实验和理论研究。该研究成果表明，超导多晶金刚石纳米线有望为磁通量量子比特和单光子探测器等量子信息技术的研发开辟新路径。
论文信息
Quantum Depletion of Superconductivity in Three-Dimensional Diamond Nanowires, Gufei Zhang*, Sen Zhang, and Jiaqi Zhu, et al. Advanced Quantum Technologies, 2400476 (2024). DOI: 10.1002/qute.202400476.
研究人员
张固非
Functional Diamond国际编委，Frontiers in Electronic Materials编委，长期从事量子材料与微纳器件领域的研究，主要致力于探索和研究人工合成金刚石中的电子强关联效应（金属绝缘体相变、超导电性、铁磁性、反常巨磁阻效应及非线性霍尔效应等）。以第一作者和/或通讯作者在Science Advances、Advanced Materials、Physical Review Letters、ACS Nano、Advanced Functional Materials等TOP顶刊发表SCI论文45篇，另合作发表Nature Communications 2篇，共被引用1206次。
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