Only Perception: 超導體的新法則

2014-12-18

超導體的新法則

New law for superconductors
http://newsoffice.mit.edu/2014/mathematical-relationship-in-superconductors-1216

在厚度、溫度與電阻率之間，其相關性的數學描述能刺激進步。

Larry Hardesty | MIT News Office
December 16, 2014

MIT 研究者發現了一種新的數學關係 -- 在的材料厚度、溫度與電阻之間 -- 那顯然約束著所有的超導體。他們在最新一期的 Physical Review B 期刊上描述他們的發現。

這項結果能闡明超導電性的本質，還有可能應用到量子運算以及超低耗能運算上，設計出更好的超導電路。

"我們能運用該知識來打造大面積裝置，那在以前是不太可能辦到的，而且裝置的產量會顯著增加，" Yachin Ivry 說，MIT Research Laboratory of Electronics 的博士後以及本論文的第一作者。

Ivry 在量子奈米結構與奈米製造小組內研究，那由 Karl Berggren 所領導（一位電機工程教授，同時也是 Ivry 論文的共同作者之一）。除此之外，該小組還研究超導體薄膜。

超導體是指某一類材料，在溫度接近絕對零度時，其電阻會消失；這表示只要非常少的能量就能在其中感應出電流。一個光子就能辦到這件事，這也是為何它們在量子光偵測器中會這麼有用的緣故。而且一個以超導電路建立的電腦晶片，原則上，所消耗的能量約為傳統晶片的百分之一。

"從科學上來說，薄膜很有趣，因為它們讓你能夠靠近我們所謂的「超導電--到--絕緣」的轉變，" Ivry 說。"超導電性是一種現象，那倚賴電子的集體行為（collective behavior）。所以當你的維度愈來愈小時，你會開始看見集體行為開始出現。"

惱人的變異（Vexing variation）

更明確地說，Ivry 研究氮化鈮（niobium nitride），一種受到研究者喜愛的材料，因為在大體積的形態下，它有相對較高的「臨界溫度（critical temperature）」-- 此溫度能使它從一般金屬轉變成超導體。不過當它沈積在奈米裝置所倚賴的薄膜上時，它如同絕大多數超導體，有較低的臨界溫度。

先前的理論性研究已描繪出氮化鈮的「臨界溫度」不是「薄膜厚度」，就是其「在室溫下所測得的電阻率」的一個函數。但似乎沒有一個理論能夠解釋 Ivry 所得到的結果。"我們看見大量分散，而且沒有明確的趨勢，" 他說。"那毫無意義，因為我們在實驗室內以相同條件培養它們。"

所以，研究者進行一系列實驗，在其中他們使厚度或著 "片電阻（sheet resistance，薄層電阻，材料在單位面積內的電阻）" 維持一致，並改變其他參數；他們接著在臨界溫度中測量接踵而來的電荷。一個清楚的圖案浮現了：厚度乘以臨界溫度等於一常數 -- 稱它為 A -- 除以昇到特定乘冪的片電阻 -- 稱它為 B。（Thickness times critical temperature equaled a constant -- call it A -- divided by sheet resistance raised to a particular power -- call it B.）

在推導此公式後， Ivry 用它來檢查報告在超導體文獻中的其他結果。然而，他的興頭在參考第一篇外部論文後，一下子就煙消雲散了。雖然其所報告的絕大多數結果與 Ivry 的等式完美相符，不過當中有二個卻大幅偏離。接著，一位熟悉這篇論文的同僚指出，該論文作者在一個註腳中承認，這二個測量也許反映出實驗錯誤：在建造測試裝置時，研究者忘了開啟他們用來沈積薄膜的其中一種氣體。

開拓視野（Broadening the scope）

Ivry 所參考的其他氮化鈮論文則都支持他的預測，所以他開始拓展到其他超導體。他所調查的每一種新材料都需要他調整這個公式的常數（上述的 A 與 B）。不過此等式的一般型態，與文獻中所報告的、約 36 種不同超導體的結果相符。每種超導體有與之相關的常數並不令人感到驚訝，不過 Ivry 與 Berggren 對於他們的方程式內有二個常數感到不太滿意。然而，當 Ivry 將其所調查的材料的 A 對 B 畫出來時，結果都落在一條直線上。

在常數之間發現一個直接關係，能夠讓他在其方程式的一般型態中只依賴一個常數。但，更有趣地或許是：在直線二端的材料擁有截然不同的物理特性。這些在（直線）上端的有著高度失序的 -- 或著，技術上來說 "非晶質的（amorphous）" -- 結晶結構；那些在下端的則更有秩序，或 "粒狀的（granular）"。所以 Ivry 在其等式中進行思想解放的初步嘗試，也許已經在小規模下對於超導體的物理學提供了某些洞見。

"在迄今獲認可的理論中，沒有一個用如此廣泛的材料種類、臨界溫度、片電阻以及厚度的關係來解釋，" Claude Chapelier 說，法國 Alternative Energies and Atomic Energy Commission 的超導體研究者。"這裡有好幾種模型，但都沒有預測出相同的東西。"

Chapelier 表示，他很樂意見到這些關係的理論性解釋。不過在此時，"這對於技術應用來說已經相當方便，" 他表示，"因為結果相當分歧，而且沒有人知道他們是否將得到好薄膜以用於超導裝置。把某種材料納入這個法則，你就能夠知道它是否為好的超導薄膜。"

※ 相關報導：

＊ Universal scaling of the critical temperature for thin films near the superconducting-to-insulating transition
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.90.214515

Yachin Ivry, Chung-Soo Kim, Andrew E. Dane,
Domenico De Fazio, Adam N. McCaughan,
Kristen A. Sunter, Qingyuan Zhao, and
Karl K. Berggren.
Phys. Rev. B 90, 214515 – Published 15 December 2014
doi: 10.1103/PhysRevB.90.214515