超导体因在超导转变温度以下的零电阻与抗磁特性得到了物质科学领域的广泛关注。当超导体的尺寸受限变成纳米超导体后，展现出一些宏观超导体所不具备的新奇物性。其中，具有强自旋轨道耦合或者铁磁性的纳米线与超导体相接触因超导近邻效应可能形成拓扑超导，而拓扑超导是拓扑量子计算的基石，因此这一体系的研究已成为国际的前沿热点。北京大学王健教授与美国宾州州立大学的陈鸿渭教授合作在超导近邻效应诱导单晶纳米线超导方面已取得了一系列重要成果。比如，通过近邻效应实现了强自旋轨道耦合Au纳米线和铁磁Co纳米线的超导(Phys. Rev. Lett. 102, 247003 (2009)； Nat. Phys. 6, 389 (2010))，为进一步的拓扑超导探索奠定了基础。此外，2011年王健与Nitin Samarth、陈鸿渭等人合作，首次用超导电极通过近邻效应使得拓扑绝缘体纳米带变得超导，并在其中观测到越低温越锐利的零压电导峰以及超导涡旋引起的量子振荡(Phys. Rev. B 84, 165120 (2011))，为拓扑超导的可能证据。
近期，北京大学王健教授、孙庆丰教授与宾州州立大学陈鸿渭教授等人合作，在与超导电极相连的金纳米线中观察到一类新奇的现象。对于一个超导-非超导纳米结，不通电流，只测电压时，本应始终为零电压。但当温度降低跨过近邻效应诱导的超导转变温度时，出现一个先增大后减小的电压信号，形成电压峰（如图1所示）。电压峰的幅值在一定范围内正比于扫描温度的速率。当温度从超导转变温度以下升温跨越超导转变温度时，电压峰变成了电压谷。
非局域电输运测量探测在近邻效应诱导的金纳米线超导转变温度处出现的奇异电压峰。当温度下降跨越超导转变温度时，信号为电压峰。反之，为电压谷。上插图：金纳米线的扫描电镜(SEM)图像，两侧为非超导的Pt电极，中间为超导的W电极。下插图：输入电流和探测电压的示意图。事实上，所测的电压与输入的电流无关，输入电流为零时，依然可以观测到同样的现象。
分析表明，电压峰的上升起源于超导电极一侧Cooper（库珀）对的产生，而电压峰的下降则源于Cooper对和准粒子的扩散。这一现象能被实验探测到可能得益于纳米线混合结构极小的接触面积和较长的扩散时间常数。电压峰的观测为超导态自由能降低提供了直接的实验证据。相似的现象也在Pt纳米带中被观测到，表明这个现象在金属-超导体纳米线混合结构中具有普遍性。既然电压峰与谷发生的位置对应于超导态与正常态的转变温度，而且信号的测量并不需要在样品上通电流，这一发现为探测纳米器件中的超导提供了一种低耗散低损伤的新方法。
这一工作以“Novel voltage signal at proximity-induced superconducting transition temperature in gold nanowires”为题发表在Science China-Physics, Mechanics & Astronomy（《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版）2018年第8期。北京大学王健教授与宾州州立大学陈鸿渭教授为文章共同通讯作者。
上述研究得到国家重大科学研究计划(编号: 2017YFA0303300, 2013CB934600), 国家自然科学基金(编号: 11774008), 清华大学低维量子物理国家重点实验室开放基金(编号: KF201703), 中国科学院重点研究计划(编号: XDPB08-1)等项目经费的资助, 在宾州州立大学的研究工作得到了美国自然科学基金(编号: DMR-0820404, DMR-1420620)的支持。
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更多详情请阅原文：
Jian Wang, JunXiong Tang, ZiQiao Wang, Yi Sun, QingFeng Sun, and Moses H. W. Chan, Novel voltage signal at proximity-induced superconducting transition temperature in gold nanowires, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 61, 087411 (2018), https://doi.org/10.1007/s11433-018-9210-x
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