60年的理論預(yù)言成真，科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)de Gennes“絕對(duì)超導(dǎo)開(kāi)關(guān)”

1911年，?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了人們對(duì)凝聚態(tài)體系的理解，開(kāi)啟了對(duì)無(wú)電阻電流傳輸和宏觀量子相干性的探索。在過(guò)去一個(gè)多世紀(jì)里，超導(dǎo)研究不僅推動(dòng)了基礎(chǔ)物理的發(fā)展，也為無(wú)損耗輸電、量子計(jì)算、超高靈敏傳感器等前沿技術(shù)提供了希望。然而，在超導(dǎo)電子學(xué)中，一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)是如何開(kāi)發(fā)能夠高保真、低功耗地調(diào)控超導(dǎo)態(tài)的開(kāi)關(guān)。

1966 年，法國(guó)物理學(xué)家皮埃爾-吉勒·德熱納（Pierre-Gilles de Gennes）提出了一個(gè)極具前瞻性的設(shè)想：“絕對(duì)超導(dǎo)開(kāi)關(guān)”。在他的模型中，一個(gè)超導(dǎo)層夾在兩個(gè)鐵磁層之間，超導(dǎo)能否存在取決于鐵磁層的磁化排列。如果能實(shí)現(xiàn)這種機(jī)制，就有望獲得一種非易失、超低能耗的超導(dǎo)開(kāi)關(guān)。然而，數(shù)十年來(lái)，盡管理論優(yōu)美，實(shí)驗(yàn)始終未能完全實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想。

近期，發(fā)表于 Nature Communications 的研究《Realisation of de Gennes’ absolute superconducting switch with a heavy metal interface》（借助重金屬界面實(shí)現(xiàn) de Gennes 的絕對(duì)超導(dǎo)開(kāi)關(guān)）首次完成了這一突破。研究者通過(guò)在鐵磁絕緣體與超導(dǎo)體之間引入具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬層，增強(qiáng)了界面磁交換效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了接近理想的“絕對(duì)開(kāi)關(guān)”。

歷史背景：de Gennes的設(shè)想

超導(dǎo)與鐵磁性在傳統(tǒng)上被視為“對(duì)立”的現(xiàn)象。超導(dǎo)依賴庫(kù)珀對(duì)的形成，而庫(kù)珀對(duì)對(duì)磁交換場(chǎng)極為敏感。在薄超導(dǎo)體被兩層鐵磁體夾持的情況下，超導(dǎo)態(tài)會(huì)隨著鐵磁層的磁化方向不同而發(fā)生劇烈變化：

• 平行排列：兩個(gè)鐵磁層的交換場(chǎng)疊加，強(qiáng)烈壓制超導(dǎo)。
• 反平行排列：交換場(chǎng)部分抵消，超導(dǎo)得以恢復(fù)。

De Gennes 預(yù)測(cè)，在理想條件下，平行態(tài)時(shí)超導(dǎo)能夠被完全熄滅，而反平行態(tài)時(shí)則完全恢復(fù)。臨界溫度的變化幅度 ΔTc可以達(dá)到極限值，即 ΔTc/Tc,AP=1。這就是所謂的“絕對(duì)開(kāi)關(guān)”。

然而在隨后的幾十年里，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往差強(qiáng)人意。平行態(tài)下的超導(dǎo)抑制通常不完全，ΔTc/Tc,AP一般僅有10–20%。界面不完美、磁性耦合不足以及材料局限性被認(rèn)為是關(guān)鍵障礙。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：EuS/Au/Nb/EuS結(jié)構(gòu)

這一突破源自一種新穎的材料選擇與界面工程。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多層異質(zhì)結(jié)：

• EuS（硫化銪）：強(qiáng)鐵磁絕緣體，提供磁性層；
• Nb（鈮）：常規(guī)超導(dǎo)體，具有較高臨界溫度；
• Au（金）：作為重金屬間隔層，具有強(qiáng)自旋軌道耦合。

關(guān)鍵創(chuàng)新在于在 EuS 與 Nb 之間插入 Au 層。EuS/Au 界面處強(qiáng)烈的自旋軌道相互作用極大增強(qiáng)了自旋混合電導(dǎo)，從而放大了磁性近接效應(yīng)。在這種條件下：平行磁化時(shí)，超導(dǎo)完全被壓制，即使在最低測(cè)量溫度（20 mK）下也不再出現(xiàn)超導(dǎo)；反平行磁化時(shí)，超導(dǎo)仍然存在。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了 ΔTc/Tc,AP≈1，即理論預(yù)言的“絕對(duì)開(kāi)關(guān)”。

理論機(jī)制

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，研究者使用了基于格林函數(shù)方法的近接效應(yīng)理論建模。結(jié)果表明，EuS/Au 界面的交換耦合強(qiáng)度遠(yuǎn)大于 EuS/Nb 直接接觸的情況。換句話說(shuō)，重金屬層不僅作為間隔層存在，還扮演了“放大器”的角色，有效地增強(qiáng)了鐵磁性對(duì)超導(dǎo)的影響。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步驗(yàn)證了這一點(diǎn)。當(dāng) Au 被自旋軌道耦合很弱的 Al（鋁）替代時(shí)，開(kāi)關(guān)效率驟降，ΔTc/Tc,AP僅約 10%，回到了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)水平。這充分證明了強(qiáng)自旋軌道耦合界面是實(shí)現(xiàn)絕對(duì)開(kāi)關(guān)的核心。

影響與未來(lái)前景

成功展示這種絕對(duì)超導(dǎo)開(kāi)關(guān)，無(wú)論是在基礎(chǔ)物理學(xué)還是應(yīng)用技術(shù)方面，都代表著一個(gè)重要的里程碑。從理論上看，它為凝聚態(tài)物理學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期存在的關(guān)鍵概念提供了重要的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。從實(shí)踐角度來(lái)看，其影響更為深遠(yuǎn)。

1. 非易失性超導(dǎo)存儲(chǔ)器： 平行態(tài)=“關(guān)”、反平行態(tài)=“開(kāi)”，天然形成二進(jìn)制邏輯，可望開(kāi)發(fā)低功耗存儲(chǔ)器。
2. 超低功耗電子器件： 無(wú)需依賴耗能的常規(guī)晶體管，數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)能耗有望大幅降低。
3. 量子技術(shù)融合： 通過(guò)磁性控制超導(dǎo)開(kāi)關(guān)，可用于調(diào)控約瑟夫森結(jié)或超導(dǎo)量子比特，推動(dòng)混合量子器件的發(fā)展。
4. 基礎(chǔ)研究： 為進(jìn)一步探索超導(dǎo)、鐵磁性與自旋軌道耦合之間的相互作用提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

結(jié)論

借助重金屬界面實(shí)現(xiàn)的 de Gennes 絕對(duì)超導(dǎo)開(kāi)關(guān)，標(biāo)志著一個(gè)重要里程碑。通過(guò)精心設(shè)計(jì) EuS/Au/Nb/EuS 結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了 ΔTc/Tc,AP≈1，完整再現(xiàn)了理論預(yù)言。它不僅解決了超導(dǎo)與磁性交互的難題，也為超低能耗電子器件和量子計(jì)算開(kāi)辟了新途徑。這項(xiàng)成果既是對(duì) de Gennes 遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)的最好回應(yīng)，也預(yù)示著超導(dǎo)自旋電子學(xué)即將進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。