将超导纳米结构带入3D

从二维到三维的转变会对系统的行为产生重大影响，无论是将一张纸折叠成纸飞机，还是将一根线扭曲成螺旋弹簧。在纳米尺度上，比人类头发小1000倍，接近量子材料等基本长度尺度。

在这些长度尺度上，纳米几何形状的图案化会导致材料特性本身的变化——当一个人移动到三维时，会有新的方法来定制功能，通过打破对称性、引入曲率和创建相互连接的通道。

尽管有这些令人兴奋的前景，但主要挑战之一仍然存在：如何在量子材料中实现纳米级的复杂3D几何形状？在一项新的研究中，由马克斯·普朗克固体化学物理研究所的研究人员领导的一个国际团队使用类似于纳米3D打印机的技术创建了三维超导纳米结构。

他们在3D桥状超导体中实现了对超导态的局部控制，甚至可以在三维空间中展示超导涡旋的运动——超导态中的纳米级缺陷。这项工作发表在《高级功能材料》杂志上。

超导体是以其零电阻和驱逐磁场的能力而闻名的材料。这种引人注目的行为源于所谓的库珀对的形成，库珀对是指在材料中相干移动而不散射的束缚电子对。“主要挑战之一是在纳米尺度上控制这种超导状态，这是探索新效应和技术设备未来发展的关键”，MPI CPfS的博士后研究员、该研究的第一作者Elina Zhakina解释道。

在3D纳米几何中图案化超导体时，由德国（MPI CPfS，IFW）和奥地利（TU Wien，维也纳大学）的研究人员组成的国际团队能够局部控制超导状态，即“关闭”纳米结构不同部分的超导性。

超导态和“正常”态的共存会导致量子力学效应，例如所谓的弱连接，例如用于超灵敏传感。然而，到目前为止，这种控制通常需要设计结构，例如在平面薄膜中，其中状态的共存是预先确定的。

“我们发现，只需在磁场中旋转结构，就可以在三维纳米结构的不同部分打开和关闭超导状态，”MPI CPfS的Lise Meitner Group负责人、该研究的最后一位作者Claire Donnelly说。“通过这种方式，我们能够实现‘可重构’的超导器件。”

这种可重构功能的实现为构建自适应或多用途超导元件提供了一个新的平台。这一点，以及传播超导态缺陷的能力，为复杂的超导逻辑和神经形态架构打开了大门，为新一代可重构超导技术奠定了基础。p