▲第一作者：Koen M. Bastiaans
通讯作者：Milan P. Allan
通讯单位：荷兰莱顿大学
DOI: 10.1126/science.abe3987
<h1>背景介绍</h1>
当电子形成库珀对时，超导电性的零电阻状态就会出现，它凝聚成一个具有长程相位相干性的超流体。对于传统的元素超导体，当冷却到临界温度(Tc)以下时，配对和凝聚同时发生。相比之下，无序超导体在Tc以上表现出异常的正常态性质，类似于高温、界面和重费米子超导体，被认为是可能存在于Tc以上的预制库珀对的结果。然而，目前尚无直接的实验证据。
<h1>本文亮点</h1>
1. 本工作利用局部噪声光谱，通过观察散粒噪声的增强，相当于有效电荷从一个电子电荷变为两个电子电荷，发现在无序超导体氮化钛(TiN)中，预制库珀对在远高于Tc的温度下存在。
2. 本工作进一步表明，光谱间隙会随着温度的升高而填充而不是关闭。
3. 本工作的实验结果表明存在一个高于Tc的态，它非常像普通金属，没有(伪)间隙，但通过成对电子携带电荷。
<h1>图文解析</h1>
▲图1. 噪声光谱作为探测配对电子的直接探针
要点：
1、本工作的研究旨在通过像噪声光谱测量的隧穿实验中载流子的有效电荷来确定无序超导体中这种非常规常态下的电荷载流子的性质。介观系统中的散粒噪声谱已被证明是确定有效电荷的有力工具，例如在超导体或分数量子霍尔实验中。
2、本工作表明，与电荷粒度相关的电流噪声S=〈(I-〈I〉)2〉与载流子的有效电荷q*和电流I成正比，即S=2q*|I|。这种关系允许提取载流子的有效电荷，在金属-绝缘体-超导界面(NIS)中，在超导间隙上方的偏压(图1B)处，载流子的有效电荷等于1个电子电荷(1e)，但在间隙内等于2e。后者是成对电子的Andreev反射的结果，它是有效电荷传输的两倍，如图1C所示。
3、本工作使用无序超导体TiN进行这项研究，因为它在没有任何竞争秩序，如电荷密度波的情况下，在Tc以上表现出不寻常的物理特征。与其他无序超导体类似，TiN可以被调节到超导体-金属或超导-绝缘体相变，并表现出可能是突发的或由小的超导岛相互耦合引起的电子粒度。
▲图2. 来自噪声光谱的TiN配对证据
1、局部隧道噪声光谱是本研究中使用的关键技术。本工作在固定结电阻 (RJ)下进行了实验，因此预计噪声与偏置电压成正比。通过数值求解每个偏置下观察到的散粒噪声的公式来提取有效电荷q*。正如预期的那样，偏置高于∆时的有效电荷等于一个电子电荷，q*=1e，如图2A、B 所示。
2、本工作在低于间隙能量的电压的数据中看到有效电荷从q*=1e到q*=2e的明显变化。这是明确的证据，表明TiN薄膜中的电子在低于Δ的能量下配对。
3、本工作表明，通过将映射算子扩展到涉及动态的经典马尔可夫过程，可以定量地理解平均OTOC的观测特征。在这个模型中，2D量子比特晶格由代表单量子比特算符的两个拷贝的虚构粒子填充。整个系统的初始状态是Qb处的单个粒子。每当一个双量子比特门被应用到两个相邻的格点上时，它们的粒子占位在四个可能的态之间变化。噪声谱的形状和值使本工作能够直接推断出配对作为噪声的来源。
▲图3. 高于Tc的增强噪声
▲图4. 高于Tc的库珀配对的证据
1、当样品升温至零电阻Tc以上时，2e的噪声增强持续存在。图3显示了从2.3 K到7.2 K不同温度下获得的噪声光谱，分别对应0.78和2.43 Tc。样品升温至两倍Tc以上时，噪声谱仍显示出与2e相对应的增强噪声，只有在T=2.43 Tc时噪声下降到2e以下。
2、鉴于Tc远低于噪声增强的温度，本工作用Tp表示另一个转变温度，即间隙打开的温度。图4C显示了Tc=2.95 K时超导转变的电阻随温度变化曲线。在~11 K时，电阻曲线呈现所谓的" N "型曲率，这对于不太接近超导-绝缘体转变的无序超导体和铜酸盐高温超导体是典型的。
3、本工作最出乎意料的实验观察结果是即使在没有光谱伪间隙的情况下，Tc以上预制库珀对依旧是配对状态。如图4 所示，当温度升高时，TiN微分隧穿电导中的间隙在Tc处填充，即Δλ(T)不变，而间隙内的光谱质量在Tc处填充。
4、本工作的实验数据显示，尽管空隙被填满，但在高温下，目前的噪声仍然与~2e相对应。因此，从光谱学的角度来看，无序超导体在高于Tc时表现得像普通金属，但具有表明配对的隧道电流波动。这仅在散粒噪声实验中可见。因此，如短寿命库珀对理论所预测的那样，TiN中不存在成对和不成对电子的假定共存。
5、本工作发现，电荷转移在2e噪声范围内的概率在透明度上仍然是线性的。这种情况原则上可能出现在由于样品内部的安德烈耶夫过程或无序金属中电荷的扩散特性而调制后续电子转移几率的聚束时。更可能的是，需要一种涉及无序超导体典型的空间异质性和关联的理论来理解这种奇特的状态。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe3987