近日，丹麦高等研究院与北京工业大学、日本国立物质材料研究所、比利时鲁汶大学、中南大学、英国布里斯托大学、比利时根特大学等合作，利用化学气相沉积法及微纳加工技术制备了纳米尺度的“钻戒”，并在这些“钻戒”中发现了金属-玻色半导体相变与非常规“巨磁阻”效应。这些发现为超导量子器件的设计提供了新思路。相关研究成果以Unconventional Giant 'Magnetoresistance' in Bosonic Semiconducting Diamond Nanorings为题，发表在Advanced Materials (https://doi.org/10.1002/adma.202211129)上。

纳米“钻戒”中的非常规“巨磁阻”效应

材料按其电学性质可粗略地分为绝缘体、半导体、导体和超导体。当温度降低时，因其非零的禁带宽度，绝缘体与半导体的电阻往往升高。金属作为良导体，其电阻通常随温度的降低而减小。超导体在较高的温度下一般呈现类似金属的电学性质。在低温下，当超导体中的自由电子结合为库珀对且发生量子凝聚时，其电阻突降至零。当前，除了人们耳熟能详的超导磁悬浮列车，超导体也被用于开发先进的量子器件，如单光子探测器和量子计算机等。

长期困扰物理与材料学界的一个问题是：库珀对的形成是否必然导致材料从金属态到超导态的相变？此问题在上述国际研究团队的合作下得到了解答。该团队选取硼掺杂的人造金刚石（钻石）为原材料，利用先进的微纳加工技术，制备出了纳米尺度的金刚石环状结构（“钻戒”）。这些纳米“钻戒”在相对较高的温度下表现出类金属的电学性质，当温度降至其原材料的超导相变温度时，它们的电阻显著飙升而非突降。该反常相变的发生是由纳米“钻戒”对库珀对的拘禁造成的。库珀对的形成以自由单电子的消耗为代价，当纳米“钻戒”有效充当了库珀对的量子阱时，体系将“无电可导”，故而电阻飙升。因为这种相变与库珀对（玻色子）的形成以及动态息息相关，所以团队将之定义为金属-玻色半导体相变。该发现与传统的金属-绝缘体相变有本质的区别，后者往往由单电子（费米子）的局域化造成。

伴随着金属-玻色半导体相变的发生，纳米“钻戒”展现了非常规“巨磁阻”效应。常规巨磁阻效应是由自旋相关的电子散射造成的，现今被广泛应用于电脑硬盘数据的读取。由磁性与非磁性材料组成的多层膜结构是硬盘读取磁头的关键组件，当该结构处于硬盘磁畴产生的磁场中时，自旋相关的电子散射会被抑制，导致结构电阻的大幅降低，从而实现对数据的识别和读取。与常规巨磁阻效应不同，纳米“钻戒”中的“巨磁阻”效应是库珀对的湮灭导致的。在外加磁场中，纳米“钻戒”中的库珀对被拆分成单电子，这些单电子的释放使得体系变得“有电可导”，从而电阻骤降。

该研究揭示了一系列新颖的量子现象，拓展了对材料传统分类的认识，为超导量子器件的开发提供了新的物理基础、材料平台和设计思路。丹麦高等研究院张固非教授发起了该项研究，并和北京工业大学柯小行教授、日本国立物质材料研究所廖梅勇主席研究员、比利时鲁汶大学刘立旺博士、中南大学李业军教授等人担纲了主要研究工作。

https://doi.org/10.1002/adma.202211129