这一发现是由日本国立材料科学研究所（NIMS）下属的材料纳米架构学研究中心（MANA）的研究人员做出的。他们的发现为控制量子行为提供了一种极具前景的新方法，并最终可能帮助工程师开发出在更高效处理信息的同时消耗更少能量的超导电子器件。
为什么控制量子涡旋很重要
超导体是一种特殊的材料，当冷却至临界温度以下时，可以无电阻地传输电流。这一特性使其在开发极高能效的电子产品和其他先进技术方面极具吸引力。
然而，超导体内部也包含被称为涡旋的微小量子结构。它们在磁场穿透材料时形成，产生由循环电流包围的微小区域。当涡旋运动时，会产生电阻并影响超导体的性能。
因此，能够控制这些涡旋的运动路径可以帮助科学家改进超导器件。直到现在，在极薄的二维超导体中引导它们的运动一直尤为困难。
为了研究这一挑战，MANA的内桥尚（Takashi Uchihashi）带领的团队研究了一种表面包含一系列等距原子台阶的超薄超导体。利用扫描隧道显微镜（一种能够在原子水平上对表面进行成像的技术），研究人员确认这些台阶彼此平行，并直接观察到涡旋沿着这些台阶分布。
该研究结果发表在《物理评论B》（Physical Review B）期刊上。
原子台阶如同量子运动的轨道
实验揭示了涡旋运动的难易程度在不同方向上存在显著差异。
利用四端电阻测量法（该技术允许研究人员精确测量电阻），团队发现在中等强度磁场下，涡旋沿着原子台阶运动的容易程度是跨越台阶运动的1000多倍。
实际上，这些台阶就像微小的轨道，为量子涡旋创造了首选的移动路径。
“我们的研究表明，原子级台阶可以作为引导超导涡旋的有效轨道，而且只需改变温度或磁场即可调节这种引导效应，”内桥说。
研究人员还发现，当磁场在约0.10至0.20 T（特斯拉，用于测量磁场强度的单位）范围内时，会出现一种特别有趣的行为。在此范围内，涡旋可以沿着台阶自由流动，而不会被材料中的缺陷捕获。
这种行为被称为一维无钉扎涡旋流，意味着涡旋可以沿着特定路径运动，而不会遇到通常限制其运动的障碍物。
在最低温度下，研究人员观察到了另一种不寻常的效应。涡旋运动受量子隧穿支配，这是一种量子物体能够穿透在经典物理学下通常会阻止其运动的能量势垒的现象。
迈向更高效超导体的新路径
研究结果表明，即使只有单原子高度的表面特征也能对量子涡旋的运动产生强大影响。
通过将这些原子台阶作为天然的引导轨道，科学家或许能够以极高的精度控制涡旋运动。通过温度和磁场调节这种运动的能力，也为影响超导体的行为提供了一种额外途径。
尽管实际应用仍需进一步开发，但这种原子尺度的方法最终可能帮助研究人员在未来的超导技术中同时管理涡旋运动和热流，从而有可能制造出功耗更低、效率更高的器件。