超导体的新数学关系

点击次数:40   更新时间:2018-05-16   【关闭

来自MIT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,这种关系似乎在所有超导体中都存在。 /

结果可以揭示超导性质,也可能导致更好的工程超导电路用于量子计算和超低功耗计算等应用。这些发现在最新一期的“物理评论B”中有所描述。

“我们能够利用这些知识来制造更大面积的器件,这在以前是不可能实现的,器件的产量显着增加,”麻省理工学院电子研究实验室的博士后Yachin Ivry说,作者在纸上。

Ivry在量子纳米结构和纳米制造集团工作,该集团由电气工程教授Karl Berggren和该论文的Ivry合着者之一Karl Berggren领导。除此之外,该小组研究超导体的薄膜。

超导体是在接近绝对零度的温度下不显示电阻的材料;这意味着需要非常小的能量来感应电流。单个光子可以做到这一点,这就是为什么它们可以用作量子光电探测器。原理上,由超导电路构建的计算机芯片消耗的能量约为传统芯片的约百分之一。

“薄膜科学上很有趣,因为它们可以让你更接近我们所说的超导到绝缘的过渡,”伊夫里说。 “超导性是一种依赖于电子集体行为的现象。所以,如果你的尺寸越来越小,就会发生集体行为。“

烦人的变化

具体而言,Ivry研究了氮化铌,这是一种受研究人员青睐的材料,因为在其大块形式中,它具有相对较高的“临界温度” - 从普通金属切换到超导体的温度。但是和大多数超导体一样,当沉积在纳米器件所依赖的薄膜上时,其临界温度会下降。

先前的理论工作已经将氮化铌的临界温度表征为室温下膜的厚度或其测得的电阻率的函数。但这两种理论似乎都不能解释Ivry的结果。 “我们看到了很大的分散,并没有明显的趋势,”他说。 “这没有意义,因为我们在相同条件下在实验室中培育它们。”

因此,研究人员进行了一系列实验,其中保持不变的厚度或“薄层电阻”,即材料的单位面积电阻,同时改变其他参数;然后他们测量了临界温度的变化。出现了一个清晰的图案:厚度时间临界温度等于一个常数 - 称为A - 除以表面电阻增加到一个特定的功率 - 称之为B.

在得出该公式后,Ivry将其与超导体文献中报告的其他结果进行对比。然而,他最初的兴奋消失了,他与他咨询的第一份外部文件消失了。虽然它报道的大多数结果都完全符合他的公式,但其中两个很显然是错误的。然后,一位熟悉该论文的同事指出,其作者在脚注中承认,这两个测量值可能反映了实验误差:在构建测试设备时,研究人员忘记打开其中一种用于存放它们的气体影片。

扩大范围

其他铌氮化物论文Ivry咨询了他的预言,所以他开始扩展到其他超导体。他研究的每一种新材料都要求他调整公式的常数 - A和B.但是对于大约三十多种不同的超导体报道的结果的一般形式保持不变。

每个超导体都应有自己的相关常数并不一定令人惊讶,但Ivry和Berggren不满意他们的方程需要两个超导体。当Ivry对他所调查的所有材料绘制了A对B时,结果呈直线下降。

发现常数之间的直接关系,使他只能依赖其中一个常数形式的方程式。但也许更有趣的是,生产线两端的材料具有不同的物理特性。顶部的那些具有高度无序 - 或者技术上说是“无定形” - 晶体结构;那些底部的是更有序或“粒状”的。所以Ivry最初试图在他的方程中消除不雅之处,可能已经在小尺度上对超导体的物理学提供了一些见解。

法国替代能源和原子能委员会的超导电性研究员Claude Chapelier说:“迄今所承认的理论都没有解释如此广泛的材料类别中临界温度与薄层电阻和厚度的关系。 “有几种模型不能预测同样的事情。”

Chapelier说他希望看到这种关系的理论解释。但同时,“这对于技术应用来说非常方便,”他说,“因为结果有很多传播,没有人知道他们是否会为超导设备获得好的电影。通过在这部法律中加入材料,你就知道它是否是一部好的超导电影。“

出版物:Yachin Ivry等人,“超导到绝缘转变附近的薄膜的临界温度的通用缩放”,物理学杂志, Rev. B 90,214515,2014年12月15日; DOI:10.1103 / PhysRevB.90.214515

PDF研究副本:在超导到绝缘转变附近的薄膜临界温度的普遍缩放

资料来源:麻省理工学院新闻节目Larry Hardesty

图片:Yachin Ivry