“電流正向和反向的電阻竟然不同?中國科學家在一種新型超導體中發(fā)現(xiàn)了神奇的‘電流二極管’效應(yīng)!這一發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)超導理論，還可能為拓撲量子計算打開一扇新的大門……”

上海科技大學李軍研究員團隊在Kagome超導體CsV?Sb?中首次觀測到強烈的非互易電荷輸運現(xiàn)象，相關(guān)成果發(fā)表于Research Square(預印本)。這項研究為何引發(fā)學界轟動?它的創(chuàng)新性體現(xiàn)在哪里?今天，我們就來深度解析這一“黑科技”背后的科學突破!

Part1：顛覆認知——超導體也能“整流”? ——(核心創(chuàng)新點1：發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象)

傳統(tǒng)超導體(如鋁、鈮)的電流-電壓響應(yīng)是完全對稱的，但研究團隊在CsV?Sb?中首次發(fā)現(xiàn)：

●正向電流和反向電流的電阻不同(非互易輸運)，類似半導體二極管的“整流效應(yīng)”。

●該效應(yīng)強度媲美人工設(shè)計的非中心對稱超導體，但CsV?Sb?是天然晶體，無需復雜加工!

●這一現(xiàn)象暗示，Kagome超導體可能存在隱藏的對稱性破缺或拓撲保護的手性態(tài)，為超導理論提供了全新案例。

圖1. 超導表征. (a) CsV3Sb5 晶體結(jié)構(gòu).(b) 覆蓋有 h-BN 的樣品的光學圖像.(c) 歸一化電阻與不同厚度溫度的函數(shù)關(guān)系.(d) 80 nm 厚樣品的霍爾電阻(紅色)和微分電阻(藍色)的溫度依賴性。

Part2：技術(shù)革命——如何捕捉“幽靈信號”?——研究團隊用到了兩項“黑科技”

1.OE1022鎖相放大器：

●檢測二次諧波電壓信號(V2ω)，靈敏度比傳統(tǒng)直流測量高100倍!

●相位鎖定在π/2，成功濾除噪聲，捕捉到微弱的非線性響應(yīng)。

2.PPMS極端環(huán)境調(diào)控：

●在接近絕對零度(~2K)和強磁場(~10T)下，精確控制渦旋運動方向。

“就像在暴風雪中聽清一根針落地的聲音——鎖相放大器就是科學家的‘超級助聽器’?！?/p>

圖2. (a) (b)分別沿 ab 平面和 c 軸應(yīng)用的 B 下的第一(頂部)和第二(底部)諧波信號的 R - T 曲線。 虛線是二次諧波信號起始溫度的指南。(C)B = 0.1 T 下 - T 曲線的過渡區(qū)域。紅色虛線是順導貢獻的 Aslamazov-Larkin 擬合曲線。

圖3.圖(a) & (b): 磁場依賴的非互易輸運(固定電流I=0.1 mA)低溫下增強反映超導序參量對非互易效應(yīng)的主導作用;圖(c) & (d): 溫度依賴的非互易輸運，飽和行為可能反映拓撲表面態(tài)在深低溫下的主導貢獻。

Part3：殺手锏——多峰分裂與符號反轉(zhuǎn)——(核心創(chuàng)新點3：發(fā)現(xiàn)反常行為)實驗數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了教科書上沒有的現(xiàn)象

●二次諧波電阻(R2ω)分裂成多個峰，且某些峰隨磁場方向反轉(zhuǎn)改變正負號。

●團隊提出：這可能是拓撲表面態(tài)與超導渦旋耦合的結(jié)果，暗示存在手性超導序參量。

這種復雜的峰結(jié)構(gòu)，就像超導版的‘摩爾斯電碼’，正在傳遞我們尚未破譯的物理密碼。

圖4：Kagome超導體CsV?Sb?中非互易輸運行為(Nonreciprocal Charge Transport)與電流、磁場方向的依賴關(guān)系。

Part4：未來應(yīng)用—從量子計算到超導芯片——(創(chuàng)新性延伸：潛在應(yīng)用)

超導二極管：無耗散整流器件，或顛覆傳統(tǒng)半導體電路設(shè)計。

拓撲量子比特：若證實馬約拉納零能模存在，可構(gòu)建容錯量子計算機。

新型傳感器：利用非線性響應(yīng)檢測微弱磁場(如腦磁信號)。

結(jié)語：中國科學家團隊的“破壁”時刻：這項研究的創(chuàng)新性不僅在于發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，更在于：

實驗方法：(鎖相放大技術(shù))的極致優(yōu)化;

理論勇氣：(挑戰(zhàn)超導對稱性傳統(tǒng)認知);

應(yīng)用視野：(從量子計算到電子器件)。

上海科技大學團隊的這項研究，通過精密的實驗設(shè)計和嚴謹?shù)臄?shù)據(jù)分析，在CsV?Sb?中發(fā)現(xiàn)了新穎的非互易電荷輸運現(xiàn)象。這一成果不僅深化了對Kagome超導體物性的理解，也為拓撲超導研究提供了新的思路。未來，隨著研究的深入，這類材料有望在新型量子器件開發(fā)中發(fā)揮重要作用。

【參考文獻】

Jun Li, Yanpeng Qi, Yueshen Wu, Qi Wang, Xiang Zhou, Jinghui Wang, et al.Nonreciprocal Charge Transport in Topological Kagome superconductor CsV3Sb5 | Research Square

(注：本文基于公開科研論文撰寫，旨在學術(shù)交流，具體技術(shù)細節(jié)請參考原始文獻。)

審核編輯 黃宇