1911年，海克·卡末林·昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了人們對凝聚態(tài)體系的理解，開啟了對無電阻電流傳輸和宏觀量子相干性的探索。在過去一個多世紀里，超導研究不僅推動了基礎(chǔ)物理的發(fā)展，也為無損耗輸電、量子計算、超高靈敏傳感器等前沿技術(shù)提供了希望。然而，在超導電子學中，一個長期存在的挑戰(zhàn)是如何開發(fā)能夠高保真、低功耗地調(diào)控超導態(tài)的開關(guān)。

1966 年，法國物理學家皮埃爾-吉勒·德熱納（Pierre-Gilles de Gennes）提出了一個極具前瞻性的設(shè)想：“絕對超導開關(guān)”。在他的模型中，一個超導層夾在兩個鐵磁層之間，超導能否存在取決于鐵磁層的磁化排列。如果能實現(xiàn)這種機制，就有望獲得一種非易失、超低能耗的超導開關(guān)。然而，數(shù)十年來，盡管理論優(yōu)美，實驗始終未能完全實現(xiàn)這一設(shè)想。

近期，發(fā)表于 Nature Communications 的研究《Realisation of de Gennes’ absolute superconducting switch with a heavy metal interface》（借助重金屬界面實現(xiàn) de Gennes 的絕對超導開關(guān)）首次完成了這一突破。研究者通過在鐵磁絕緣體與超導體之間引入具有強自旋軌道耦合的重金屬層，增強了界面磁交換效應，從而實現(xiàn)了接近理想的“絕對開關(guān)”。

歷史背景：de Gennes的設(shè)想

超導與鐵磁性在傳統(tǒng)上被視為“對立”的現(xiàn)象。超導依賴庫珀對的形成，而庫珀對對磁交換場極為敏感。在薄超導體被兩層鐵磁體夾持的情況下，超導態(tài)會隨著鐵磁層的磁化方向不同而發(fā)生劇烈變化：

• 平行排列：兩個鐵磁層的交換場疊加，強烈壓制超導。
• 反平行排列：交換場部分抵消，超導得以恢復。

De Gennes 預測，在理想條件下，平行態(tài)時超導能夠被完全熄滅，而反平行態(tài)時則完全恢復。臨界溫度的變化幅度 ΔTc可以達到極限值，即 ΔTc/Tc,AP=1。這就是所謂的“絕對開關(guān)”。

然而在隨后的幾十年里，實驗結(jié)果往往差強人意。平行態(tài)下的超導抑制通常不完全，ΔTc/Tc,AP一般僅有10–20%。界面不完美、磁性耦合不足以及材料局限性被認為是關(guān)鍵障礙。

實驗設(shè)計：EuS/Au/Nb/EuS結(jié)構(gòu)

這一突破源自一種新穎的材料選擇與界面工程。研究團隊設(shè)計了多層異質(zhì)結(jié)：

• EuS（硫化銪）：強鐵磁絕緣體，提供磁性層；
• Nb（鈮）：常規(guī)超導體，具有較高臨界溫度；
• Au（金）：作為重金屬間隔層，具有強自旋軌道耦合。

關(guān)鍵創(chuàng)新在于在 EuS 與 Nb 之間插入 Au 層。EuS/Au 界面處強烈的自旋軌道相互作用極大增強了自旋混合電導，從而放大了磁性近接效應。在這種條件下：平行磁化時，超導完全被壓制，即使在最低測量溫度（20 mK）下也不再出現(xiàn)超導；反平行磁化時，超導仍然存在。實驗實現(xiàn)了 ΔTc/Tc,AP≈1，即理論預言的“絕對開關(guān)”。

理論機制

為了驗證實驗，研究者使用了基于格林函數(shù)方法的近接效應理論建模。結(jié)果表明，EuS/Au 界面的交換耦合強度遠大于 EuS/Nb 直接接觸的情況。換句話說，重金屬層不僅作為間隔層存在，還扮演了“放大器”的角色，有效地增強了鐵磁性對超導的影響。

對比實驗也進一步驗證了這一點。當 Au 被自旋軌道耦合很弱的 Al（鋁）替代時，開關(guān)效率驟降，ΔTc/Tc,AP僅約 10%，回到了傳統(tǒng)實驗水平。這充分證明了強自旋軌道耦合界面是實現(xiàn)絕對開關(guān)的核心。

影響與未來前景

成功展示這種絕對超導開關(guān)，無論是在基礎(chǔ)物理學還是應用技術(shù)方面，都代表著一個重要的里程碑。從理論上看，它為凝聚態(tài)物理學中一個長期存在的關(guān)鍵概念提供了重要的實驗驗證。從實踐角度來看，其影響更為深遠。

1. 非易失性超導存儲器： 平行態(tài)=“關(guān)”、反平行態(tài)=“開”，天然形成二進制邏輯，可望開發(fā)低功耗存儲器。
2. 超低功耗電子器件： 無需依賴耗能的常規(guī)晶體管，數(shù)據(jù)中心和超級計算機能耗有望大幅降低。
3. 量子技術(shù)融合： 通過磁性控制超導開關(guān)，可用于調(diào)控約瑟夫森結(jié)或超導量子比特，推動混合量子器件的發(fā)展。
4. 基礎(chǔ)研究： 為進一步探索超導、鐵磁性與自旋軌道耦合之間的相互作用提供了實驗平臺。

結(jié)論

借助重金屬界面實現(xiàn)的 de Gennes 絕對超導開關(guān)，標志著一個重要里程碑。通過精心設(shè)計 EuS/Au/Nb/EuS 結(jié)構(gòu)，研究團隊首次在實驗中實現(xiàn)了 ΔTc/Tc,AP≈1，完整再現(xiàn)了理論預言。它不僅解決了超導與磁性交互的難題，也為超低能耗電子器件和量子計算開辟了新途徑。這項成果既是對 de Gennes 遠見卓識的最好回應，也預示著超導自旋電子學即將進入一個嶄新的階段。