一项新研究着重指出，某种超导材料在其边缘展现了独特的电子行为，与材料内部截然不同。这对开发高效电气系统和推进量子计算技术的发展可能具有重要意义。

拓扑材料具有不同寻常的特性，因为其波函数（引导电子的物理定律）是打结或扭曲的。在拓扑材料与周围空间接触的界面处，波函数必须展开。这种突然的过渡导致材料边缘的电子与内部电子的行为不同。科学家将这种差异称为边缘态。

如果拓扑材料也表现出超导性，那么无论是整体还是边缘都具备超导性，但它们却表现出截然不同的特性。这是一种令人惊讶的现象，就像两个相互接触却仍彼此分离的水池。这项研究表明，在拓扑材料碲化钼（MoTe2）中，超导边缘电流可以承受“胶合剂”（即维持超导电子配对的物质）的重大变化，这是一个关键因素，因为电子配对有助于超导体中电流的自由流动。

解析拓扑材料中的超导性

拓扑超导体是理论预测的一种可能的新型超导体。如果这一预测得到证实，它们将使下一代量子技术得以实现，因为它们包含一种名为任意子的独特粒子。与电子不同，任意子能记住自己的位置。这一特性使它们能够以抵抗错误的方式进行排列，执行量子计算操作。

拓扑超导体还具有沿其周边流动的被称为“边缘超电流”的特种电流。这些电流对生成和操控任意子起着重要作用，为量子技术和节能型电子技术的发展铺平了道路。

观测MoTe2中的边缘超电流

当二碲化钼（MoTe2）呈现超导性时，超流（在不破坏超导性的情况下可注入的最大电流）会在磁场中振荡。边缘超流比主体内的超流振荡得更快，呈现出主体响应的特征调制。超导电流由成对电子携带，而成对电子结合在一起的黏合剂对于不同材料而言，其强度和对称性可能有很大差异。

增强与铌的成对势

为了增强二碲化钼（MoTe₂）中的胶合力（配对势），科学家们在它的顶部沉积了铌（Nb），因为铌具有更强的配对势。铌的配对势渗透到二碲化钼中，而后者中的电子会暂时感受到更强的胶合力。这种渗透增强了超电流振荡，但也揭示出铌和二碲化钼配对势之间的不兼容。

两者无法无缝融合，引导边缘电子的波函数在铌（Nb）和碲化钼2（MoTe₂）对势之间切换，这取决于哪种势占主导。边缘电子所做的选择反映在振荡中。当边缘对势与碲化钼2（MoTe₂）体态的对势不同时，这些振荡是有噪声的；当两者相同时，则几乎无噪声（如图所示）。

这项研究不仅证实了边缘超电流的存在，还表明它们可用于监测拓扑超导体中超导电子的行为。

参考文献：斯蒂芬·金、雷诗鸣、莱斯莉·M·斯库普、R.J.卡瓦和N.P.翁于2024年1月11日在《自然·物理》期刊上发表的“边缘超流揭示外尔超导体中凝聚态之间的竞争”。DOI：10.1038/s41567-023-02316-9

本研究得到了能源部科学办公室基础能源科学项目、美国国家科学基金会以及戈登与贝蒂·摩尔基金会的量子系统新兴现象计划的资助。