“对称性”在绝缘体和超导体之间完美切换，紫铜可作量子设备理想“开关”

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图片来源：物理学家组织网

科技日报记者 张佳欣

量子科学家发现了一种罕见的现象，这种现象可能是在量子设备中创造一个在绝缘体和超导体之间切换的“完美开关”的关键。这项由英国布里斯托尔大学领导并发表在新一期《科学》杂志上的研究发现，紫铜中存在这两种相反的电子态。

在热或光等小刺激的推动下，材料中的微小变化可能会引发从零电导率的绝缘状态到无限电导率的超导体状态的瞬时转变，反之亦然。这种极化的多功能性被称为“涌现对称性”，有可能在未来的量子技术发展中提供理想的开关。

在没有磁场的情况下，紫铜的电阻高度依赖于电流的引入方向。其温度依赖性也相当复杂。在室温上下，电阻是金属性的，但随着温度降低，情况发生了逆转，材料似乎变成了绝缘体。然后，在最低温度下，当它转变为超导体时，电阻再次直线下降。

研究人员表示，尽管有这种复杂性，但磁阻却极其简单。无论电流或磁场的排列方向如何，它基本上是相同的，并且从室温到超导转变温度一直遵循完美的线性温度依赖关系。

对称性破缺现象一般指冷却时电子系统对称性的降低。冰晶中水分子的复杂排列就是这种对称性破缺的一个例子。但相反的情况是罕见的。也就是说，在实验中证明这种涌现对称性非常具有挑战性。这就好比当冰进一步冷却时，冰晶的复杂性再次“融化”成像水滴一样对称和光滑的东西。

为了进一步测试该理论是否成立，研究人员研究了100个单独的晶体，其中一些是绝缘的，另一些是超导的。不同晶体表现出不同基态，研究发现了一条可在紫铜中识别涌现对称性的路径。

研究人员称，想象有一个魔术戏法，一个沉闷、扭曲的人物变成一个美丽的、完美对称的球体，这就是涌现对称性的本质。这个“人物”就是紫铜，而魔术师是自然本身。

展望未来，科学家可能会利用这种性质在量子电路中创造“开关”，通过微小的刺激导致开关电阻发生深刻的、数量级的变化。

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