15、超导材料与约瑟夫森结：从基础到量子应用的探索

超导材料与约瑟夫森结：从基础到量子应用的探索

1. 非BCS型超导材料概述

BCS型超导体并非唯一能呈现超导性和约瑟夫森效应的材料。除了BCS型超导体，还有其他类型的超导材料在量子信息处理领域展现出了巨大的应用潜力。本文将重点介绍三种非BCS型超导材料：高温铜氧化物、手性超导和多带超导。

2. 不同类型的超导材料及其特性

• 高温铜氧化物与本征约瑟夫森结阵列
  • 高温铜氧化物，如Bi₂Sr₂CaCu₂O₈，具有比标准BCS型超导体更高的超导转变温度，是一种引人注目的超导材料。
  • 其最有趣的特性之一是在c轴输运特性中出现本征约瑟夫森效应。这种效应在高度各向异性的高温铜氧化物超导体的单晶中被观察到，而非在由它们制成的人工器件中。这意味着原子尺度的约瑟夫森结堆叠自然形成。
  • 从实验和理论的角度，对高温铜氧化物化合物中的宏观量子隧穿（MQT）进行了深入研究。
• 手性超导与拓扑有序态
  • 自旋三重态手性p波超导体具有非平凡的拓扑序，这是其迷人的特性之一。
  • 由具有“强”自旋 - 轨道耦合的材料（如拓扑绝缘体）和传统超导体组成的异质结，由于超导邻近效应，可能会产生类似的拓扑有序态。
  • 近期，各种理论预测，在具有拓扑绝缘体或某些半导体（如InAs）的超导结系统中，可以实现显著的拓扑性质。这些超导系统可能为拓扑量子计算提供物理实现。