调整成对量子粒子的键以创造无耗散的流动

诸平

Fig. 1 An illustration of positively charged holes interacting with negatively charged electrons between two sheets of graphene to form a bosonic pair. Credit: Cory R. Dean, Columbia University

Fig. 2 A second illustration of positively charged holes interacting with negatively charged electrons between two sheets of graphene to form a bosonic pair. Credit: Cory R. Dean, Columbia University

据美国哥伦比亚大学（Columbia University）2022年1月13日提供的消息，调整成对量子粒子的键以创造无耗散的流动（Tuning the bonds of paired quantum particles to create dissipationless flow）。流经电力线和计算机的电子不可避免地会遇到阻力;当它们这样做时，它们会失去一些能量，这些能量会以热量的形式消散。这就是为什么笔记本电脑在长时间使用后会发热，以及为什么为云提供动力的服务器群需要大量空调来防止机器过热的原因。同样，任何携带能量的粒子在典型环境中流动时，往往会失去能量。也有一些例外，通常发生在非常低的温度下，当粒子形成成对的量子凝聚物（quantum condensates）时。这就导致了某些金属(如铝)的超导性(电阻消失)和液态氦的超流体(可以流动而不耗散)。

许多应用，从无耗散功率传输到量子计算，已经发展了基于超导材料显示这些量子凝聚态（quantum condensate states）。但是，已知的超导材料需要保持低温往往是不切实际的。为了提高无能量损耗装置的温度，研究人员首先需要更好地理解是什么驱动了量子凝聚物的形成。

理论上，超导性是配对电子的结果。但在大多数材料中，这种配对是微弱的，配对强度是固定的。不过两个负电荷粒子通常不会相互配对。在《科学》（Science）杂志网站新发表的文章——Xiaomeng Liu, J. I. A. Li, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, James Hone, Bertrand I. Halperin, Philip Kim, Cory R. Dean. Crossover between Strongly-coupled and Weakly-coupled Exciton Superfluids, Science, 13 Jan 2022, 375(6577): 205-209. DOI: 10.1126/science.abg1110. http://www.science.org/doi/10.1126/science.abg1110.这项研究成果是由哥伦比亚大学、哈佛大学（Harvard University）、布朗大学（Brown University）以及日本国家材料科学研究所（NIMS in Japan）的研究人员合作完成的，文章描述了一个可调,石墨烯平台使用相反电荷即电子和空穴,形成强磁场下量子粒子对。这种配对的强度现在可以沿着一个连续统一体变化，这将使研究小组能够测试关于量子凝聚物起源的理论预测，以及它们如何可能提高超导的温度极限。

设计一个可调平台（Designing a tunable platform）

其基本理论非常简单。上述研究的通讯作者科里·迪恩（Cory R. Dean）说：“如果你能让电子成对，它们就能超导。”根据巴丁-库珀-施里弗（Bardeen-Cooper-Schrieffer简称BCS）理论，电子之间的吸引力无论多么弱都会导致这些电子成对，形成一种叫做“库珀对（Cooper pair）”的新粒子。它们的行为就像玻色子（bosons）一样，在足够低的温度下，可以进入集体状态，在物质中不受无序阻碍地移动，这是任何单个电子都无法实现的特性。

但是有个问题。“电子不喜欢配对，”科里·迪恩说。俗话说，物以类聚，人以群分。该团队并没有试图使两个负电荷电子形成化学键，而是一直在探索相反的电子如何相互吸引，从而产生等效的“配对”玻色子。

这个想法最初是由理论物理学家提出的，现在正由该团队在石墨烯的原子薄层上实现。石墨烯是一种具有独特性能的材料，他们已经研究了好几年。根据所施加的电压和磁场，石墨烯薄片可以被制造成带有负电荷的电子或带正电荷的空穴。当两张这样的薄片放在一起时，其中一张薄片上的电子会想要与另一张薄片上的电荷相反的空穴配对，形成玻色子对。

距离仍然是需要的。“人们最初试图将单一材料中的电子和空穴配对，它们之间确实存在吸引力，但从某种意义上说，这种吸引力太强了，”上述论文的第一作者刘小孟（Xiaomeng Liu音译）说。如果两者靠得太近，它们就会结合并消失。使用哥伦比亚大学开发的一种技术来创建不同原子薄材料的分层堆叠，该团队在他们平台的石墨烯之间添加了多层绝缘氮化硼。这就造成了一块石墨烯薄片上的电子与另一块石墨烯薄片上的空穴之间的物理距离，这也影响了相互作用的强度:绝缘层越多，键合就越弱; 层次越少，键合越强。“通过改变分离层的厚度，我们可以直接、可调地控制相互作用的强度，”这项工作的另一位主要作者李嘉（J. I. A. Li音译）说。

电子和空穴不仅需要相互作用;它们形成的玻色子对还需要与其他对相互作用，以达到集体量子凝聚态。通过调整绝缘层的数量，该团队可以控制电子和空穴之间的结合强度，同时改变外部磁场，调整玻色子对之间的相互作用。

通过交叉来提高温度(Crossing over to raise the temperature)

大多数超导材料只能在极冷的温度下存在，通常低于10 K(或-441 F)。然而，在某些被称为高温超导体的材料中，双态可以在高达200 K(-100 F)的高温下存活。虽然温度仍然很低，但高温超导体的存在表明量子凝聚态可以在室温下发生。然而，尽管经过几十年的研究，利用电子-电子对或电子-空穴对实现更高温度的量子凝聚物的进展缓慢。

有一种理论认为，高温超导体是由电子配对产生的，这种配对既不“弱”也不“强”，而是存在于这两个极端之间。研究由玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose-Einstein Condensate简称BEC)理论描述的强玻色配对一直是高温超导体的一个挑战，因为电子自然排斥彼此，控制它们的相互作用是困难的。利用他们的可调石墨烯平台，将电子与空穴而不是电子-电子对结合在一起，该团队现在可以首次绘制出随着成对强度在BEC和BCS两个极端之间移动时电导率如何变化的图。

在这里，实验是在液氦温度为-450 F的条件下进行的，并在一个强大的10特斯拉(Tesla)磁铁(大约比普通冰箱磁铁强100倍)下进行的;这两种条件都不适合建造可以在计算机内部的芯片上运行的真实设备。但是，科里·迪恩说，这项工作开辟了新的科学研究途径。他说:“由于这个平台的可调性，我们可以用以前无法企及的方式测试理论预测。”

使用不同的材料，也可能会失去磁铁，而这是让石墨烯通常不相互作用的电子移动所必需的。例如，半导体可以被操纵成充满电子和/或充满空穴。要想让这些薄片形成稳定的电子-空穴对，还得从技术上考虑，比如材料的“清洁”程度和无缺陷程度，以及它们之间是否能进行适当的接触。哈佛大学的物理学家伯特兰·霍尔珀林（Bertrand I. Halperin）说:“如果这种电子-空穴对凝聚物也被称为激子凝聚物（exciton condensates），可以在高温和没有磁场的情况下稳定下来，这可能会导致实际应用。”

科里·迪恩说:“我们利用这个石墨烯平台建立的基础概念是绝对可靠的。这不再是幻想;这是现实。从某种意义上说，现在它变成了一个工程挑战。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg1110

Following a crossover

Superfluidity in fermionic systems occurs through the pairing of fermions into bosons, which can undergo condensation. Depending on the strength of the interactions between fermions, the pairs range from large and overlapping to tightly bound. The crossover between these two limits has been explored in ultracold Fermi gases. Liu et al. observed the crossover in an electronic system consisting of two layers of graphene separated by an insulating barrier and placed in a magnetic field. In this two-dimensional system, the pairs were excitons formed from an electron in one layer and a hole in the other. The researchers used magnetic field and layer separation to tune the interactions and detected the signatures of superfluidity through transport measurements. —JS

Abstract

In fermionic systems, superconductivity and superfluidity occur through the condensation of fermion pairs. The nature of this condensate can be tuned by varying the pairing strength, which is challenging in electronic systems. We studied graphene double layers separated by an atomically thin insulator. Under applied magnetic field, electrons and holes couple across the barrier to form bound magneto-excitons whose pairing strength can be continuously tuned by varying the effective layer separation. Using temperature-dependent Coulomb drag and counterflow current measurements, we were able to tune the magneto-exciton condensate through the entire phase diagram from weak to strong coupling. Our results establish magneto-exciton condensates in graphene as a model platform to study the crossover between two bosonic quantum condensate phases in a solid-state system.