超导理论被一国际实验确认：库珀对在Kagome金属中展现波动分布，为超导二极管等新技术进展铺平道路。
大约十五年来，以其星形设计（灵感来自传统日本编织图案）的Kagome材料吸引了全球研究者的关注。直到2018年，科学家们才成功在实验室中创建出具有这种结构的金属化合物。由于其卓越的晶体结构，Kagome金属展现出独特的电子、磁性和超导特性，使其在未来量子技术的发展中备受期待。与维尔茨堡-德累斯顿优秀集群ct.qmat（量子物质中的复杂性与拓扑）相关的教授Ronny Thomale，在这一领域起到了关键作用，并凭借早期的理论见解做出了重要贡献。近期在《自然》刊物上发表的研究表明，这些材料有潜力开创新的电子元件，包括超导二极管。
Kagome超导体在科学界掀起波澜
在2023年2月16日发表的在线预印本中，Thomale教授的团队假设，在Kagome金属中可能出现一种独特的超导现象，其中库珀对在子晶格中以波动模式排列。这一结构中的每个“星点”含有不同数量的库珀对。该理论现在首次通过国际实验得到了直接验证，引起了科学界的重大关注。这挑战了先前对Kagome金属只能支持均匀分布的库珀对（或波形）的理解。库珀对——以物理学家利昂·库珀命名——是在极低温度下，由电子对形成的，对实现超导性至关重要。当它们一起作用时，可以创造出一种量子态，使它们能够在Kagome超导体中无阻力地移动。
“最初，我们对像三氟化钾铌（KV3Sb5）这样的Kagome金属的研究集中在单个电子的量子行为上，虽然这些电子不表现出超导特性，但可以在材料中显示出波动特征，”Thomale解释道。“在我们两年前通过检测电荷密度波验证了对电子行为的初步理论后，我们希望在超低温下发现更多的量子现象，从而发现了Kagome超导体。然而，广泛研究Kagome材料的学术界仍处于早期阶段，”Thomale表示。
传递波动运动
“量子物理领域对对密度波现象非常熟悉，这是一种独特的超导冷凝态。就像蒸汽在烹饪时冷却凝结成液体一样，Kagome金属中也会发生类似的过程。在接近-193摄氏度的超低温下，电子会重新组织并在材料中形成波动。这个概念自电荷密度波被检测到以来就已经建立，”重要理论框架贡献者，博士生Hendrik Hohmann解释道，他与同伴Matteo Dürrnagel共同作出贡献。“随着温度降低到-272度（接近绝对零度），电子会配对。这些库珀对随后凝结成量子流体，并以波动形式在材料中传播，促进无阻力的超导性。因此，这种波动模式从电子转移到库珀对。”
之前对Kagome金属的研究已经证实了超导性以及库珀对在空间中的排列。重大的新发现是，这些库珀对不仅可以均匀排列，还可以在原子子晶格中形成波动模式——这一现象被称为“子晶格调制超导性”。Dürrnagel指出：“KV3Sb5中对密度波的出现最终源于在超导性温度高出80度的波动电子分布。这种量子效应的组合具有巨大的潜力。”
ct.qmat的研究人员正在积极研究在电荷密度波发生前显示空间调制的Kagome金属，已有许多有前景的候选材料在探索之中。
诺贝尔奖获得者约瑟夫森效应引领突破
这项实验因其直接观察到Kagome金属中库珀对以波动模式配置而备受瞩目，实验由中国深圳南方科技大学的阴家鑫开发。这项研究利用了一种配有超导尖端的扫描隧道显微镜，可以直接观察库珀对。这种尖端的创新设计以单个原子为终点，基于诺贝尔奖获得的约瑟夫森效应。这使得超导电流可以在显微镜尖端与样本之间流动，从而直接测量库珀对的排列。
“我们当前的发现标志着朝着节能量子设备的又一步重要进展。虽然这些效应目前只能在原子水平上观察，但一旦Kagome超导性在更大规模上实现，我们将能够开发新的超导元件。这推动了我们的基础研究，”Thomale教授总结道。
未来展望
尽管世界上最长的超导电缆已在慕尼黑安装，但对超导电子元件的广泛研究仍在进行中。初步的超导二极管已在实验室中开发出来，尽管是使用不同超导材料的组合。相比之下，独特的Kagome超导体，因其固有的库珀对空间调制，独立地作为二极管工作，为超导电子学和无损电路提供了令人兴奋的前景。
