裡特爾發現了什麼

在超導體的領域中有人預測了一種稱為

自旋三重態非常規超導體

（Spin-Triplet Unconventional Superconductor）的存在，這種對於外加磁場反應和典型的超導體有很大的不同，也因此使其在量子電腦領域有很大的發展潛能。但是一直沒有人能夠找到自旋三重態非常規超導體存在的直接證據。

直到使用特別且嚴謹的實驗方法，證明了新穎材料β-Bi2Pd是一種自旋三重態非常規超導體，並將其實驗結果發表上頂尖科學論文期刊。

實驗結果使我們能夠確認非常規超導體的存在，為量子電腦的硬體發展帶來新的想法，更為探尋

馬約拉納費米

子道路帶來一線曙光。

量子計算機聽起來非常炫耀，那麼它到底是什麼？

量子力學這曾是人類無法想象的不尋常現象，如今正用它神奇的方式打破舊有的規則。量子計算機相關話題層出不窮，建構量子計算機的量子元件同樣為量子優越性時代的來臨推波助瀾。

傳統電腦的計算方法是以高電位以及低電位來進行

二進位的運算

，其單位稱作位元（Bit）。

量子計算機是藉由類似的想法，單一個位元可以是0和1的疊加態，位元之間又可以互相糾纏，故可使得量子計算機的運算量隨著位元數的增加而呈現指數成長，此位元稱為量子位元（Qubit）。

甚至日前谷歌由研究人員發表了篇文章，稱其實驗的量子計算機可在

3分20

秒瞬間完成超級計算機需要運算一萬年的問題！

其中的量子位元的形式有數百種之多，本篇只演示的是

將超導體做成超導環

，對其

通以磁場，使超導環同時產生順、逆時針的電流作為量子位元

。

IBM量子計算機的內部構造。

什麼是常規超導體？跟量子計算機有什麼關係？

常見的

自旋單態常規超導體

（Spin-Singlet Conventional Superconductor），擁有磁通量量子化的超導特性，若將其做成環狀，並施以連續變化的外加磁場，根據

電流磁效應

，超導環會產生順時針或逆時針的超導電流來抵消或增強環內的磁場強度，使環內磁通量仍被量子化。

外加磁場為零時沒有超導電流，當由下往上的磁場逐漸增加時會產生超導電流

抵消

磁場，使環心的磁通量為零，當外加磁場恰超過半量子磁通量時，超導電流會瞬間反向，使環心的磁通量不足達到一個量子數，接著隨著外加磁場繼續增加而減弱，最後在達到一個量子數時電流消失，然後迴圈反覆

圖一

圖一：自旋單態常規超導體磁通量量子化示意圖。黃色部分代表環上超導電流方向，可以看到超導電流會剛好讓環內的磁場只能是某一特定值的整數倍。

科學家便是利用外加半磁通量時電流反向的關鍵點，固定外加磁場使得超導環產生順、逆時針電流的量子疊加態作為量子位元。

此方法容易因為不同超導環要達到穩定疊加態所需要施加的磁場大小不一樣，所以

幾乎不可能同時讓複數個超導環同時達到穩定疊加態

，也就是說，

位元數量無法增加

，這是到目前為止用超導環做量子電腦遇到的一大瓶頸。

規則就是要拿來打破的，用理論預測非常規超導存在

圖二為非常規半導體磁通量半量子化示圖

圖二：非常規半導體磁通量半量子化示意圖。可以看見環內磁通量變成是某一特定值的半整數倍。值得注意的是，在外加磁通量為0 的地方，環內的磁通量並不為0。而是處於正或負0。5 的轉變點。

在此之前其實科學家已經透過理論預測，應該會存在一種自旋三重態非常規超導體

，在外加磁場不到1/2 個通量時所產生的抵抗電流，甚至在外加磁場為0時，內部便有磁通量，表示會自行產生超導電流，而且是處於半量子磁通量的關鍵點。

到目前為止還沒有團隊真的有辦法確認一個超導體材料真的是一個自旋三重態的超導體。希望利用特別的實驗方法來證明這種超導體的存在。

探索從未發現的材料

我們有幸訪問到此實驗團隊的一位教授：錢嘉陵教授。他表示，在這個探索中嘗試過時數種材料，才終於找到這個披著神秘面紗的主角——β-Bi2Pd。

團隊利用此材料做成了一個次微米尺度的環，厚度約50 奈米，長寬各約0。8 微米的方形環，環的寬度約0。1 微米。至於實驗對照組，則是形狀基本上一樣，不過厚度為28 奈米的鈮（Niobium， Nb）。

事實上，做成這個尺寸是有意義的。如果環做得太大，則其磁通量就會由於面積擴大而縮小，導致因磁通量量子化造成的震盪效應不明顯；但如果做得很小，則會因為超導體中的電子對需要保持一最短距離，材料太小則會使電子對無法穩定存在。

做得太薄也不行，因為如果太薄會使超導臨界溫度過低，由於現今常用的降溫方法為使用液態氦約為4K，當超導臨界溫度低於4K時，則將會在降溫的技術方面出現困難

當然太厚也不可以，因為這個效應僅體現在材料的表面，若材料過厚，則難以測量其表面的效應，僅能觀測到其實心部分的結果，並非本實驗目的。

材料環示意圖

如圖為材料環示意圖一實驗時會對此裝置施加一垂直於此平面的磁場。

證實β-Bi 2 Pd為自旋三重態非常規超導體

有了一個超導環之後，就可以對它施加磁場，當我們改變外加磁場的量值，它就會產生

利特爾—帕克斯效應

（Little-Parks Effect）。

利特爾—帕克斯效應是什麼呢？讓我們回顧一下上述的超導環電流變化現象，如果電流會這樣變化，那麼超導環的電阻便會出現相應的震盪現象，這就是利特爾—帕克斯效應。實驗團隊從資料結果發現，和利特爾—帕克斯效應（Little-Parks Effect）的預期結果相同，實驗組（β-Bi 2 Pd）和對照組（鈮）的電阻—磁場圖基本上都

呈現週期震盪圖形

，而且兩者的震盪週期也都差不多，大約是30厄斯特（磁場單位）。

但真正的重頭戲，是這兩者的震盪相位不同！實驗組和對照組的相位差了180度（震盪圖形平移了半個週期），β-Bi 2 Pd的電阻極大值會發生在磁場為0的情況，而鈮在該情況下的則為電阻極小值。而這就反映了半量子和量子磁通量的差異，也就證明了β-Bi 2 Pd的確是一個

自旋三重態非常規超導體

（Spin-Triplet Unconventional Superconductor）。（請參考圖四）

β-Bi 2 Pd的價值

如前面所述，

此材料不需外加磁場便能處於半量子磁通量的關鍵點，解決了原本幾乎不可能同時使複數個超導環處於穩定疊加態的問題

，為量子計算再邁出一大步！

不只是其在外加磁場為零時便具有超導電流的特性，更值得鼓舞的是，這樣的材料很有可能會是一種非常難得存在的p波超導體

。

p波超導體是一種

自旋三重態非常規超導體

（Spin-Triplet Unconventional Superconductor），其中被預言會存在難以尋找的馬約拉納費米子（Majorana Fermion），其具有反粒子即為自己本身的奇特性質，將有機會解決量子電腦易受外界擾動而影響的重大瓶頸，為量子計算機的突破更寫下嶄新的一頁！