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科技日報訊 （記者常麗君）真正的二維物質(zhì)具有量子效應和其它奇特現(xiàn)象，如一個原子厚的碳原子層石墨烯，具有獨特的力學、電學和光學屬性。還有一種二維電子氣（2DEG），是平面電子集合，位于特殊半導體（如砷化鎵）間的接口，具有量子霍爾效應、自旋霍爾效應等現(xiàn)象。

據(jù)物理學家組織網(wǎng)9月10日（北京時間）報道，對平面電子集合二維物質(zhì)的研究還相對較新，準確地說，這種電子集合是一種二維液體，一般在過渡金屬氧化物（TMO）材料表面，電子密度很高，產(chǎn)生的相互作用比內(nèi)部更強。而且其用途廣泛，具有絕緣、導電、半導、超導甚至鐵磁的性質(zhì)?？茖W家希望在這種高密度、高相互作用的電子環(huán)境下能產(chǎn)生某些特異現(xiàn)象。

最近，美國馬里蘭大學物理學副教授、聯(lián)合量子研究所（JQI）成員詹姆斯·威廉姆在研究一種叫做鈦酸鍶（STO）的TMO材料的性質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)它同時具有超導和鐵磁性，改變其電子密度就能從一種性質(zhì)轉化為另一種。相關論文發(fā)表在近日出版的《自然·物理學》雜志上。

在最新實驗中，研究人員想看看超導電流在超導STO薄片之間的狹窄通道是怎樣流動的。這種通道非常微小，跟人們認為的電子波大小差不多，由此可能出現(xiàn)量子效應。改變門電壓，可以控制通道開口大小和通過門柵流到另一邊的電流。

在低電壓下（密度小于8×1012電子/平方厘米），門柵仍是絕緣的，幾乎沒有電流；在中等電壓和密度下，出現(xiàn)了量子隧穿，某些電子對可以到另一邊去；在高電壓和更高密度下（約5×1013電子/平方厘米，比目前大部分FETs大100倍），微導區(qū)會實體化，當這些區(qū)連接起來跨越門柵時，就形成了高效隧道，使超導電流自由通過。超導電流的電子并非單個地運動，而是以弱耦合形式形成配對，稱為庫珀對，兩個電子自旋方向相反。但這種量子超導只在特定范圍才會發(fā)生。

根據(jù)電流與門電壓之間的關系，電子流通過微小通道時，其自旋自由度被打破，就像磁鐵中的電子沒有方向自由，卻能協(xié)調(diào)排列一樣。高電子密度和強勢電子的相互作用，這在其它材料上是沒有的，可能產(chǎn)生了某類新型電子傳輸。

研究人員推測，這種性質(zhì)與一種新型超導相符，稱為P-波超導，但還需要更多研究來證明。而傳統(tǒng)超導是S-波超導，由庫珀對構成了零電阻電流，在形狀上是球形的。而P-波超導，電子對更像一個小啞鈴。雖然人們尚未確切看到P-波超導，因為要構建電子對的形狀非常困難，但本研究仍有重要意義。

總編輯圈點

現(xiàn)在對超導材料的研究，多是先通過理論進行推測，然后對可能的材料進行一一實驗來找到合適的組合，成功常常需要碰運氣。只有對超導理論有更深入的理解，對微觀物質(zhì)的運動規(guī)律即量子理論有更深刻的認識，才能更高效的尋找實用的超導材料。本研究是否發(fā)現(xiàn)了科學家努力尋找的P-波超導，現(xiàn)在還不得而知，但作為一個新現(xiàn)象，以及對這個現(xiàn)象的解釋，都將加深我們對超導態(tài)電子配對機制的理解，對整個超導學領域會有重大意義。