将超导纳米结构迈向三维

从二维到三维的转变，无论将一张纸折叠成纸飞机还是将金属丝扭成螺旋弹簧，都会对系统的行为方式产生重大影响。在比人类头发细一千倍的纳米尺度上，人们接近了例如量子材料的基本长度尺度。在这些长度尺度上，纳米几何结构的图案化可导致材料特性本身的改变——而当转到三维时，通过打破对称性、引入曲率以及创建相互连接的通道，便产生了定制功能的新方法。

尽管前景令人振奋，但主要挑战之一依然存在：如何在量子材料中以纳米尺度实现如此复杂的三维几何结构？在一项新研究中，由马克斯·普朗克固体化学物理研究所的研究人员领导的国际团队，利用一种类似于纳米3D打印机的技术，创建了三维超导纳米结构。他们在一个类似桥梁的三维超导体中实现了对超导态的局部控制，甚至展示了超导涡旋（超导态中的纳米级缺陷）在三维空间中的运动。该成果已发表在Advanced Functional Materials杂志上。

超导体是因其展现零电阻和排斥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：相互束缚的电子对，它们在材料中相干地移动而不会发生散射。

“主要挑战之一在于如何在纳米尺度上控制这种超导态，这对于探索新颖效应和未来开发技术器件至关重要，”该研究的第一作者、马克斯·普朗克固体化学物理研究所的博士后研究员Elina Zhakina解释道。

在将超导体图案化为三维纳米几何结构时，这个由德国（马克斯·普朗克固体化学物理研究所、莱布尼茨固体与材料研究所）和奥地利（维也纳工业大学、维也纳大学）研究人员组成的国际团队，能够局部控制超导态——即在纳米结构的不同部分“关闭”超导性。这种超导态和“正常”态的共存可导致量子力学效应，例如所谓的弱连接，用于超灵敏传感等。然而，迄今为止，实现这种控制通常需要设计结构（例如在平面薄膜中），而这些结构中的状态共存是预先设定的。

“我们发现，仅仅通过在磁场中旋转三维纳米结构，就可以在其不同部分打开和关闭超导态，”马克斯·普朗克固体化学物理研究所莉泽·迈特纳小组负责人、该工作的通讯作者Claire Donnelly说。“通过这种方式，我们实现了一个‘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组件提供了一个新平台。这，连同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。