田纳西大学的物理学家领导了一个科学团队，发现硅 - 即将成为万亿美元电子行业的支柱 - 可以承载一种新颖形式的超导性，可以使迅速出现的量子技术更接近工业规模生产。

这些发现发表在Nature Physics上，涉及电子盗窃，时间反转和一点电子双元性。

超导舞池中的情侣

超导体在没有电阻或能量耗散的情况下传导电流。它们的用途范围从粒子加速器和医疗MRI设备的强大电磁铁到超灵敏的磁传感器再到量子计算机。超导性是量子力学在宏观尺度上运作的壮观展示。这一切都归结为电子。

电子带负电并在真空中相互排斥。然而，在固态介质(金属和半导体领域)中，大约有1023其他电子和正离子使图片变得非常复杂。在超导体中，传导电子克服了它们的相互排斥，并通过与其他粒子的相互作用相互吸引。这种相互作用使它们像舞会上的舞者一样配对，形成复合粒子，或“库珀对”(以诺贝尔奖获得者莱昂·库珀的名字命名)。

通常，引起这种配对的“胶水”来自金属中的原子振动，但前提是电子不会太强烈地相互排斥。这个过程有点像两个人(电子)在柔软的床垫(介质)上，当床垫在中心被压缩时，它们相互滚动。量子力学定律规定，库珀对(与单个电子不同)都可以凝结成一个单一的相干量子态，在那里它们同步移动。因此，冷凝水表现出刚性，允许电流不间断或耗散地流动;换句话说：超导。这种机制导致传统的(S波)超导体，如铝，锡或铅。

然而，当电子之间的斥力很强时，它们以更高的角动量状态配对，这样它们就不会靠得太近，从而产生例如d波超导体。由铜和氧(铜酸盐)制成的材料就是这种情况，它在自然物理学研究及其未来潜力中起着重要作用。

窃取电子

在这项工作中，Hanno Weitering教授和Steve Johnston副教授以及他们在美国，西班牙和中国的同事通过在硅基底(基层)上生长三分之一的单层锡原子来复制类似铜酸盐的物理学。把它想象成九个硅原子在一层中，三个锡原子 - 相距更远 - 堆叠在顶部的另一层中。该系统的设计使得锡电子之间的排斥力非常强，以至于它们无法移动，也不会超导。

Weitering，Johnston和他们的同事发现了一种聪明的解决方法，即在硅层的类金刚石晶体结构中植入硼原子。硼原子继续从锡层(通常约为10%)窃取电子，其过程类似于半导体工业完善的技术。这给了剩余的锡电子自由移动。因此，锡层在临界温度下变得金属甚至超导，超过了几乎所有元素超导体的温度。重要的是，这种现象还与硼原子或被盗电子的数量成比例，其行为让人联想到铜酸盐超导体。

反转时间和量子计算应用

虽然基于电子盗窃的超导性本身很有趣，但研究小组发现了更有趣的物理学，表明这种锡硅材料具有手性超导性。这种高度奇特的物质状态受到大力追求，部分原因是它在量子计算方面的潜力。

在手性系统中，顺时针和逆时针旋转是相同但又不同的——就像左手和右手是彼此的镜像，不能叠加。在量子力学中，单个或成对电子的性质被编码在一个数学波函数中，该波函数可以是左手的，右手的，或者是“拓扑上的微不足道的”。

锡层中的超导波函数在样品的某些部分是顺时针方向，在其他部分是逆时针方向。如果让时钟倒带，顺时针波函数会变成逆时针，反之亦然，但这两个波函数还是不一样的，就像左手和右手不同一样;正如物理学家所说，时间反转对称性被打破了。

时间反转对称性破坏是手性超导的标志。另一个是该系统有两个一维传导通道，它们像铁轨一样沿着样品材料的周边运行。这些通道承载着奇异的粒子样实体，在某些条件下，粒子及其反粒子变得无法区分。马约拉纳粒子受到拓扑保护，不受周围环境中发生的事情的影响。它们被设想为未来量子计算机的构建块，量子计算机是一种快速兴起的技术，可以帮助解决对经典计算机来说过于复杂的问题。使用马约拉纳粒子意味着防止退相干，这是量子计算成功的关键要求。

综上所述，Nature Physics的结果表明，可以将奇特的特性与易于扩展的硅基材料平台相结合。因此，这将使未来的量子技术更接近工业规模生产。