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天天快訊:上海交大這個(gè)科研成果入選2022年度“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”，為超導(dǎo)計(jì)算機(jī)研發(fā)提供可能

2023-04-12 19:55:23 來源：文匯網(wǎng)

上海交通大學(xué)賈金鋒、鄭浩團(tuán)隊(duì)的科研成果“實(shí)驗(yàn)證實(shí)超導(dǎo)態(tài)‘分段費(fèi)米面’”近日入選了由科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心發(fā)布的2022年度“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”，這也是上海交通大學(xué)時(shí)隔十一年再次入選中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展。這一成果為超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的核心部件之一超導(dǎo)二極管提供了一種可能的理論路徑。


(相關(guān)資料圖)

從制備用于實(shí)驗(yàn)的全新拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體（Bi2Te3/NbSe2）異質(zhì)結(jié)體系，到不斷根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求調(diào)整儀器，“這一成果可說是上海交大物理與天文學(xué)院團(tuán)隊(duì)多年工作的積累和延續(xù)?！鄙虾＝淮笪锢砼c天文學(xué)院教授，中科院院士賈金鋒說，早在2012年，團(tuán)隊(duì)就制備出了拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，證明了該體系為拓?fù)涑瑢?dǎo)，并在其中觀察到了人們長(zhǎng)期追求的馬約拉納零能模。這次的成果正是在這一體系中發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，是對(duì)該體系持續(xù)不斷研究的最佳回報(bào)。

一個(gè)固體是否有費(fèi)米面決定了材料的很多性質(zhì)，比如是否導(dǎo)電、是否透光等，一般來說有費(fèi)米面的材料是不透光的，因?yàn)殡娮游樟斯饩€，沒有費(fèi)米面的材料則是透光的。而對(duì)費(fèi)米面的人工調(diào)控是材料物性調(diào)控的最重要途徑。

而所謂費(fèi)米面，就是材料半滿的能帶所觀測(cè)的“電子面”。上海交大物理與天文學(xué)院教授、李政道研究所平臺(tái)建設(shè)學(xué)者鄭浩解釋稱，所有固體材料中都有“能帶”，電子會(huì)按照能量從低到高的方式填充能帶。絕緣的固體材料中能帶被電子填滿，就像一個(gè)擠滿人的房間，人在其中寸步難行，而導(dǎo)電的固體材料中，能帶是半滿的，既然是半滿就有“面”的概念，就像一瓶半滿的水能看到水面一樣，一個(gè)半滿的能帶也能觀測(cè)到“電子面”，物理術(shù)語叫“費(fèi)米面”。

大量研究表明，超導(dǎo)體雖然能零電阻導(dǎo)電，但是卻沒有費(fèi)米面。因?yàn)槌瑢?dǎo)體中承擔(dān)導(dǎo)電任務(wù)的不是單個(gè)電子，而是兩個(gè)電子組成的庫伯對(duì)。1965年德國(guó)物理學(xué)家PeterFulde理論預(yù)言，讓超導(dǎo)體中庫珀對(duì)動(dòng)起來，如果速度足夠快，就有可能在原本沒有費(fèi)米面的超導(dǎo)體中產(chǎn)生出一種特殊的“分段費(fèi)米面”。但是其后幾十年，科學(xué)家都無法驗(yàn)證這一理論。

賈金鋒、鄭浩課題組分析前人的結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，多數(shù)單一超導(dǎo)材料，庫珀對(duì)速度太大會(huì)直接破壞超導(dǎo)態(tài)。他們與麻省理工學(xué)院傅亮團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)制備了拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體（Bi2Te3/NbSe2）異質(zhì)結(jié)體系，借助超導(dǎo)近鄰效應(yīng)在Bi2Te3中誘導(dǎo)出超導(dǎo)，得益于Bi2Te3拓?fù)浔砻鎽B(tài)的費(fèi)米速度極高的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，只需要很小的庫伯對(duì)速度，就實(shí)現(xiàn)并觀察到了預(yù)言中的“分段費(fèi)米面”。

研究表明，擁有“分段費(fèi)米面”的超導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)單向零電阻導(dǎo)電，即正向零電阻導(dǎo)電，反向非零電阻導(dǎo)電的獨(dú)特現(xiàn)象，即約瑟夫森二級(jí)管效應(yīng)。而單向零電阻導(dǎo)電重要性在于不會(huì)產(chǎn)生熱量，用來構(gòu)建超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，科研實(shí)現(xiàn)無能耗的高效計(jì)算。而原本計(jì)算機(jī)不論是真空二極管還是半導(dǎo)體制備的二極管，都會(huì)產(chǎn)生大量熱量從而導(dǎo)致能量損耗。另外，還可以為例如有限動(dòng)量超導(dǎo)、庫伯對(duì)密度波等很多具有重要物理學(xué)理論研究?jī)r(jià)值的課題提供關(guān)鍵的研究載體。在賈金鋒、鄭浩課題組成果發(fā)表后，目前已有團(tuán)隊(duì)在他們的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上嘗試構(gòu)建超導(dǎo)二極管。

“物理學(xué)科是科技的創(chuàng)新源頭，未來學(xué)校還將繼續(xù)通過基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃和上海交通大學(xué)2030計(jì)劃鼓勵(lì)更多這類需要潛心十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)研究。不僅要讓學(xué)者甘坐10年冷板凳，也敢坐10年冷板凳。”上海交通大學(xué)校務(wù)委員會(huì)專職副主任吳旦告訴記者。

據(jù)上海交通大學(xué)科研院院長(zhǎng)曾小勤介紹，基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃由上海交大和上海市科委共同出資兩億元設(shè)立，截至目前實(shí)施兩年已布局了26個(gè)項(xiàng)目，主要支持戰(zhàn)略導(dǎo)向和自由探索類的基礎(chǔ)研究課題，覆蓋海洋、健康、信息和能源等多個(gè)領(lǐng)域。而2030計(jì)劃由學(xué)校撥款2億元經(jīng)費(fèi)，鼓勵(lì)學(xué)者在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的前沿探索。項(xiàng)目分為三類，第一類是能解決國(guó)家重大需求的基礎(chǔ)科研課題；第二類是解決目前科技發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)的科學(xué)問題，截至目前已有6個(gè)項(xiàng)目獲得了每年500萬元人民幣的支持，第三類則是鼓勵(lì)青年教師對(duì)那些目前在科研界尚未形成共識(shí)的高風(fēng)險(xiǎn)科研課題進(jìn)行自由探索，目前一期已有19個(gè)項(xiàng)目獲得了每年50萬元支持。

作者：姜澎

編輯：儲(chǔ)舒婷

責(zé)任編輯：樊麗萍

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