費米面……是個啥？
科學解釋：費米面是最高占據能級的等能面，是當T=0時電子占據态與非占據态的分界面。一般來說，半導體和絕緣體不用費米面。而用價帶頂概念。金屬中的自由電子滿足泡利不相容原理，其在單粒子能級上分布幾率遵循費米統計分布。作為固體材料非常重要的一個“面兒”，決定其是否透光、導電等物性。而由于能隙的存在，半導體、超導體自身沒有這個“面兒”，如果能産生這個“面兒”，将極大地改變其性質。
科學前言：國外的拓撲超導體
此前，由來自瑞士、英國和中國的工程師組成的國際科學家團隊發表聲明稱，他們發現了一種新的拓撲超導體，未來将創造出更強大、更先進的量子計算機。衆所周知，超導體在冷卻到一定狀态時可以無電阻地導電。與普通物體相比，超導體展現出其量子特性，這使得它們在量子計算機中非常有前景，量子計算機利用量子實體的特性來處理和存儲大量資料。
正是出于這個原因，最大和最先進的 IT 公司不斷緻力于超導體的開發，并使用超導體的工業量子計算機。目前，現代量子計算機的“阿喀琉斯之踵”是量子比特，或者更确切地說，它們對任何外部影響（電磁影響、熱量、與空氣粒子的碰撞）都具有極高的敏感性。
是以，工程師們相信，隻有通過使用特殊拓撲導體建立穩定的量子位，才可能應對這種高效的靈敏度，才能提供所需的保護性能。就在幾年前，科學家們已經獲得了铋硒和铋碲半導體等材料。但是為了完全實作量子器件，有必要實作具有超導特性的拓撲材料，而不僅僅是在表面上實作。在衆多實驗過程中，一個國際科學家小組設法發現了一種新的拓撲超導體LaPt3P。據科學家的發現，LaPt3P在量子計算領域有巨大潛力。他的發現表明，對介子的進一步研究總體上非常重要。
關于費米面的實驗和猜想
1965年，理論學家Fulde理論預言了一種在超導體中實作特殊“分段費米面”的路徑。但50多年來，從未被證明。而就在10月29日發表于《科學》的一項研究中，上海交通大學實體與天文學院、李政道研究所博士後朱朕，教授鄭浩、賈金鋒等與合作者，利用低溫強磁場掃描隧道顯微鏡在Bi2Te3/NbSe2體系中成功産生并探測到由庫珀對動量導緻的分段費米面。
1911年，科學家發現超導體，因具有零電阻導電和完全抗磁性等奇特性質，成為實體學中長久興盛的研究課題。但是，天然超導體沒有費米面。
1965年，Fulde從理論上預言了一種特殊的“分段費米面”，當超導體中庫珀對的動量足夠大時，就可以在超導能隙中産生準粒子，進而産生一種特殊的“分段費米面”。但該預言一直未被證明。因為，對于普通超導體而言，如果采用增加電流的方式讓庫珀對動起來，當庫珀對動量大到一定程度，産生準粒子的同時，庫珀對也被“拆散”了，進而失去了超導性。也就是說，還沒等産生費米面，超導體就已經“廢了”。是以，要實作超導體費米面的人工調控，前提是在保證其超導性這個“裡子”不喪失的情況下，産生費米面。
為此，研究人員希望利用拓撲絕緣體/超導體異質結的特殊性來解決這一實驗難題。首先，他們使用分子束外延技術，在超導體NbSe2表面上精準生長了4層厚的拓撲絕緣體Bi2Te3薄膜。這樣通過NbSe2的臨近效應，在原本不超導的拓撲絕緣體中誘導産生了超導性。
但這要求薄膜必須足夠薄，否則臨近效應就會非常弱。“分子束外延技術可以實作原子層的精準控制，是以是一種最佳手段。”鄭浩說…誘導的超導性比本征的超導性要脆弱一些，而實驗的關鍵就是利用這種差别，通過對誘導的超導體施加超電流，并讓電流進入拓撲絕緣體Bi2Te3中，以達到讓超導體産生費米面的強度，但這種強度恰好在不破壞NbSe2超導性的可控範圍内。也就是說，在Bi2Te3/ NbSe2體系中，由于Bi2Te3薄膜表面态的費米速度很大，當NbSe2超導體中庫珀對動量還很小時，這個動量對Bi2Te3薄膜表面态中庫珀對已經大到足夠産生準粒子，實作分段費米面。通過這種方法，研究人員巧妙地解決了進行Fulde預言驗證的實驗困難。
但要證明這種分段費米面确實存在，還需要精确的探測手段。目前國際上探測費米面比較常用的手段是角分辨光電子譜，但由于探測需要在極低溫的環境下，是以這種手段并不容易實作。
為此，研究人員使用配備了稀釋制冷機和三維矢量強磁場的掃描隧道顯微鏡進行探測。他們利用一個很小的水準磁場在NbSe2超導體表面産生一個較小的超導電流，發現随着磁場增大，超導體庫伯對動量也在提高，超導能隙内準粒子也越來越多，這預示着超導體中逐漸産生了分段費米面。為進一步驗證，研究人員又利用準粒子幹涉技術，在實空間探測到了駐波，并通過傅裡葉變換證明了費米面的産生。
科學上的長期積累
實際上，早在10多年前，研究團隊就開發了這種拓撲絕緣體/超導體異質結材料體系。這是一種拓撲超導材料，研究人員在上面觀察到了可用于拓撲量子計算的馬約拉納零能模。随着理論和技術的發展，他們又開展了水準磁場的探索，并發現了異常敏感的響應。對于研究團隊而言，驗證理論預言隻是第一步。由于在研究中發現了磁場方向和大小可以調節費米面的形狀和大小，調控拓撲性，建構新的拓撲超導這一現象，是以，他們希望在接下來的實驗中，進一步探索它到底可以改變超導體的哪些物性。
（文章内容來源于網絡）
前情提要：高溫超導體—服務中國磁懸浮
高溫超導體的電阻近似為0。是以産生的感應電流會在超導體内一直循環下去，而感應電流産生的磁場與軌道磁場方向相反，将互相作用産生懸浮力。
針對高溫超導磁浮的工作原理：在外磁場中，高溫超導體獨有的強釘紮能力使得磁力線既難逃離釘紮中心的束縛（對于已經被俘獲的磁力線）也難滲透進入超導體内（對于未被俘獲的自由磁力線）。這種獨特的釘紮特性使得超導體能夠随外磁場的變化而感應出阻礙這種變化的超導強電流。這種超導電流與外磁場的電磁互相作用，在宏觀上産生與懸浮體自身重力平衡的懸浮力，并提供橫向穩定所需的導向力。
與正常導體不同，高溫超導體的電阻近似為0。是以産生的感應電流會在超導體内一直循環下去，而感應電流産生的磁場與軌道磁場方向相反，将互相作用産生懸浮力。因“感生電”原理，車載懸浮系統和軌道都不需要供電。
根據專家介紹：列車懸浮起來後，保持懸浮狀态，唯一需要的是液氮，液氮使超導材料一直處于超導工作狀态，而空氣中78%都是氮氣，是以液氮成本較低，同時也節能環保。而高溫超導磁浮還有一個顯著的特點——列車前進方向的磁阻力幾乎為0，這一切都高溫超導體使得适合未來交通的超高速應用；此次成功下線的世界首條高溫超導高速磁浮樣車及試驗線，最高試驗速度可達400公裡/小時，目标速度将達到620公裡/小時，可開展高溫超導磁浮車動力學、氣動、振動、噪聲等方面的研究。而我國作為世界高鐵大國，技術、裝備、建設和營運達到國際先進水準。
實際上，所謂“高溫超導體”，是指臨界溫度在40K（約零下233攝氏度）以上的超導體。除了磁浮外，超導材料在衆多領域也有相關研究應用。目前，低溫超導材料已實作商業化應用，主要用在醫學的核磁共振上。
超導技術被稱為21世紀電力工業的高技術儲備，可有效解決目前的能源、交通等問題，如今國内外正在研究應用于高壓線輸電的高溫超導電纜，應用于各種裝置的超導電機等而超導電機重量輕、體積小，在風力發電機中具備特别優勢，是以将超導電機用于風力發電也是目前的研究熱點。同時，超導在所有與電相關的領域，比如資訊、檢測、交通運輸、電力技術等都能廣泛應用，有着重要的研究和開發價值。目前我國正在大力開展超導材料制備及其應用研究。而不斷探索更高臨界溫度的超導體，并加強與超導技術應用密切相關的低溫制冷技術和低溫系統的研究，是未來的重要發展方向。
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