科技日報訊 （記者常麗君）真正的二維物質具有量子效應和其它奇特現象，如一個原子厚的碳原子層石墨烯，具有獨特的力學、電學和光學屬性。還有一種二維電子氣（2DEG），是平面電子集合，位于特殊半導體（如砷化鎵）間的接口，具有量子霍爾效應、自旋霍爾效應等現象。

據物理學家組織網9月10日（北京時間）報道，對平面電子集合二維物質的研究還相對較新，準確地說，這種電子集合是一種二維液體，一般在過渡金屬氧化物（TMO）材料表面，電子密度很高，產生的相互作用比內部更強。而且其用途廣泛，具有絕緣、導電、半導、超導甚至鐵磁的性質。科學家希望在這種高密度、高相互作用的電子環境下能產生某些特異現象。

最近，美國馬里蘭大學物理學副教授、聯合量子研究所（JQI）成員詹姆斯·威廉姆在研究一種叫做鈦酸鍶（STO）的TMO材料的性質時，發現它同時具有超導和鐵磁性，改變其電子密度就能從一種性質轉化為另一種。相關論文發表在近日出版的《自然·物理學》雜志上。

在最新實驗中，研究人員想看看超導電流在超導STO薄片之間的狹窄通道是怎樣流動的。這種通道非常微小，跟人們認為的電子波大小差不多，由此可能出現量子效應。改變門電壓，可以控制通道開口大小和通過門柵流到另一邊的電流。

在低電壓下（密度小于8×1012電子/平方厘米），門柵仍是絕緣的，幾乎沒有電流；在中等電壓和密度下，出現了量子隧穿，某些電子對可以到另一邊去；在高電壓和更高密度下（約5×1013電子/平方厘米，比目前大部分FETs大100倍），微導區會實體化，當這些區連接起來跨越門柵時，就形成了高效隧道，使超導電流自由通過。超導電流的電子并非單個地運動，而是以弱耦合形式形成配對，稱為庫珀對，兩個電子自旋方向相反。但這種量子超導只在特定范圍才會發生。

根據電流與門電壓之間的關系，電子流通過微小通道時，其自旋自由度被打破，就像磁鐵中的電子沒有方向自由，卻能協調排列一樣。高電子密度和強勢電子的相互作用，這在其它材料上是沒有的，可能產生了某類新型電子傳輸。

研究人員推測，這種性質與一種新型超導相符，稱為P-波超導，但還需要更多研究來證明。而傳統超導是S-波超導，由庫珀對構成了零電阻電流，在形狀上是球形的。而P-波超導，電子對更像一個小啞鈴。雖然人們尚未確切看到P-波超導，因為要構建電子對的形狀非常困難，但本研究仍有重要意義。

總編輯圈點

現在對超導材料的研究，多是先通過理論進行推測，然后對可能的材料進行一一實驗來找到合適的組合，成功常常需要碰運氣。只有對超導理論有更深入的理解，對微觀物質的運動規律即量子理論有更深刻的認識，才能更高效的尋找實用的超導材料。本研究是否發現了科學家努力尋找的P-波超導，現在還不得而知，但作為一個新現象，以及對這個現象的解釋，都將加深我們對超導態電子配對機制的理解，對整個超導學領域會有重大意義。