超導奇蹟與量子怪象：普林斯頓的「薄冰」實驗顛覆理論
在普林斯頓大學的一間實驗室裡，一群物理學家正在玩弄一種令人驚奇的新材料——它厚度只有三個原子，卻能隨心所欲地從絕緣體變成超導體。就像是科學版的魔術，他們發現了一些完全出乎意料的量子行為。
這項研究不僅可能深化我們對量子物理的了解，還可能把超導體研究推向一個全新的方向。研究成果發表在《自然物理學》期刊上，題為「單層WTe2中非常規的超導量子臨界性」。
領頭的物理學助理教授Sanfeng Wu和他的團隊發現，當材料接近絕對零度時，量子機械波動會突然停止，展現出一系列獨特的量子行為和特性，這些似乎超出了現有理論的範圍。
Wu說：「我們直接觀察到了過渡附近的量子波動，發現了一個新的量子相變，它不符合該領域已知的標準理論描述。一旦我們理解了此現象，就有可能出現一個令人興奮的新理論。」
這次研究開始於一塊鎢二碲（WTe2）晶體，這是一種被分類為層狀半金屬的材料。通過逐層剝離，研究人員將它轉變成了二維材料，厚度僅有單個原子層。在這種薄度下，這種材料表現出一系列新奇的量子行為，例如能夠在絕緣和超導相之間切換。
物理學博士後研究員、論文的主要作者宋天成說：「只需一點點閘極電壓，就可以將材料從絕緣體轉變為超導體，這真是一個了不起的效應。」
能在絕緣和超導相間切換
這項研究的一大亮點是發現了量子渦旋的存在，它們就像微觀的旋渦一樣，在材料中形成微小的磁場。當材料被冷卻到極低的溫度（攝氏零下273.10度）時，這些渦旋快速增多，最終破壞了超導態，引發了量子相變。
實驗中的一個驚人發現是，當電子密度調整到臨界值以下時，這些渦旋信號突然消失了，好像是被量子波動「突然死亡」了一樣。這種現象讓物理學家們大吃一驚，因為它完全無法用現有的理論來解釋。
普林斯頓大學的物理學教授N. Phuan Ong說：「換句話說，我們發現了一種新型的量子臨界點，但我們對它一無所知。」
在凝聚態物理領域，目前有兩種確立的理論可以解釋超導體的相變，即金茨堡-蘭道理論和BKT理論。然而，研究人員發現，這些理論都無法解釋觀察到的現象。
Wu補充道：「我們需要一個新的理論來描述這種情況，這是我們希望在未來的理論和實驗工作中解決的問題。」
這項研究不僅開啟了對超導物理的新理解，還挑戰了我們對量子世界的認知，證明即使在科學中最基本的原理也可能存在驚喜和未解之謎。這就像是在微觀世界中找到了一個未知的秘密通道，這個通道通向了一個新的、未知的量子領域。
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圖片來源：Nature Physics cc By4.0
參考論文：
1.Unconventional superconducting quantum criticality in monolayer WTe2.Nature Physics
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