日本科学家发现，仅一原子高的微小台阶可以像微观铁路轨道一样，引导超薄超导体内的量子涡旋的运动。在特定条件下，这些涡旋在台阶上移动的难度比在台阶之间移动轻得多，超过1000倍。研究人员还发现，他们可以通过简单地改变温度或磁场来调节这种显著的效果。这一发现是由日本材料科学研究所(NIMS)下属的材料纳米构筑研究中心(MANA)的研究人员取得的。他们的研究结果为控制量子行为提供了一种新的有希望的方法，最终可能帮助工程师开发出在处理信息时能耗更低、效率更高的超导电子设备。控制量子涡旋的重要性 超导体是一种特殊材料，当温度降至临界温度以下时，可以无电阻地传导电流。这一特性使其在开发极其节能的电子设备和其他先进技术方面具有吸引力。然而，超导体中也包含微小的量子结构，即涡旋。这些涡旋在磁场渗透材料的地方形成，创造出被循环电流包围的小区域。当涡旋移动时，它们可以产生电阻并影响超导体的性能。因此，能够控制这些涡旋的移动方向，可以帮助科学家改进超导设备。到目前为止，在极薄的二维超导体中引导它们的运动尤其困难。为了解决这个难题，以宇治桥隆为首的MANA团队研究了一种表面含有一系列规律间隔原子步履的超薄超导体。研究人员使用扫描隧道显微镜，这是一种能够对原子级表面进行成像的技术，确认了这些步履彼此平行，并直接观察到了沿着它们排列的涡旋。这一研究成果发表在《物理评论B》期刊上。 原子步履如同量子运动的轨道 实验揭示了涡旋在不同方向上移动的难易程度存在极大的差异。研究团队利用四端电阻测量法，这种方法可以精确测量电阻，发现涡旋在中间磁场的影响下沿着原子步履的移动难度超过在其横向移动的1000倍。实际上，步履就像微小的轨道，为量子涡旋提供了优先的行驶路径。“我们的研究表明，原子级台阶可以充当有效的轨道来引导超导涡旋，而这一引导效果可以通过简单地改变温度或磁场进行调节，”宇治桥隆说。研究人员还发现，当磁场范围在大约0.10到0.20特斯拉(T)之间时，涡旋可以在步履上自由流动，而不会被材料中的缺陷困住。这种现象被称为一维无钉涡旋流，意味着涡旋可以沿着特定路径移动，而不会遇到通常限制其运动的障碍。在最低温度下，研究人员观察到另一种异常现象。涡旋运动受到量子隧穿的支配，这是一种量子物体能够穿越能量障碍的现象，而在经典物理下通常会阻止它们的运动。 通往更高效超导体的新路径 研究结果表明，即使是仅一原子高的表面特征也可以对量子涡旋的运动产生强大影响。通过使用这些原子步履作为自然的引导轨道，科学家们可能能够以极高的精度控制涡旋运动。通过温度和磁场调整这种运动的能力也为影响超导体的行为提供了另一种方法。尽管实际应用仍需进一步开发，但这种原子级的方法最终可能帮助研究人员在未来的超导技术中管理涡旋运动和热流，从而实现效率更高、能耗更低的设备。