研究成果

新穎超導材料β-Bi2Pd中觀察到半量子磁通量

刊登日期:2019-10-17

錢嘉陵教授(美國物理學會會士、美國科學促進會AAAS會士、我國中央研究院院士)所領導的研究團隊,美國約翰霍普金斯大學物理與天文系博士後研究員李禹帆博士、許曉英博士、與台灣大學凝態中心朱明文研究員近日發現由新穎材料β-Bi2Pd多晶織構薄膜(textured polycrystalline film)所作成的次微米尺寸超導環具有不尋常的半量子磁通量(half-quantum flux),容許在零外加磁場下有順逆時針超導電流共存。李博士、許博士、錢教授以Little-Parks效應量子磁通量原理精確設計β-Bi2Pd超導環的次微米尺寸大小,並使用多晶薄膜中超導電流相位干涉的特性,以實驗方法證實β-Bi2Pd具有半量子磁通量。由圖中可見,傳統超導材料鈮(Nb)和β-Bi2Pd的電阻隨著外加磁通量的震盪行為,在外加磁通量為零時明顯不同。這是這類非典型超導體自旋三重態波函數,也就是p波對稱性,在實驗上顯著的超導特性。

除了實驗證實理論上的p波超導體確實存在之外,另一個重要科學預測是在此類超導材料中可以實現具有Majorana費米子(粒子亦為自身反粒子)的拓墣超導體(topological superconductor)。因β-Bi2Pd非典型超導機制的發現,未來可逐步在實驗上實現Majorana費米子,成為另一個可以建構量子電腦的候選物理現象,更有機會建構新世代的拓墣量子電腦雛形。

量子運算則將“0”與“1”的疊加態置於一個量子比特(quantum bit, qubit)中,相較於傳統電腦以“0”與“1”二元進位方式來執行演算與儲存資訊,可處理的數據量與可使用的比特數量呈線性關係;量子運算可處理的數據量隨著可使用的量子比特數量呈指數成長。由傳統超導體設計而成的超導環,具有自旋單一態波函數,s波對稱性(高溫超導材料則自旋單一態波函數,d波對稱性),可以經由精準的外加磁場調控,達到順時針與逆時針超導電流共存的狀態,滿足量子位元的需求。但是每一個環對外加磁場不同要求、雜訊等因素使得精準的磁場調控非常困難。錢教授這次突破性的成果,在零外加磁場下發現同時具有順、逆時針超導電流的超導環,使得未來大量量子比特的製作成為可能。

此研究成果發表於2019年10月11日出刊的科學期刊(Science 366, 238-241(2019))。

相關連結:
1) https://science.sciencemag.org/content/366/6462/238
2) Johns Hopkins Researchers Discover Supeconducting Material That Could Someday Power Quantum Computer

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網站連結: https://science.sciencemag.org/content/366/6462/238

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