超导体和尖锐金属尖端原子之间的安德烈夫反射示意图。

图片来源：阿尔托大学/何塞·拉多

超导是由称为库珀对的特殊连接的电子对引起的。到目前为止，库珀对的出现已被宏观地间接测量，但芬兰阿尔托大学和美国橡树岭国家实验室研究人员开发的一项新技术能以原子精度检测它们的出现。相关研究发表在最新一期《纳米快报》杂志上。

电子可通过量子隧道穿越能垒，以经典物理学无法解释的方式通过空间，从一个系统跳到另一个系统。例如，如果一个电子在金属和超导体相遇的点与另一个电子配对，它可形成进入超导体的库珀对，同时在一个称为安德烈夫的过程中将另一种粒子“反冲”到金属中反射。

研究人员通过寻找这些安德烈夫反射来检测库珀对。为此，他们测量了原子级尖锐金属尖端和超导体之间的电流，以及电流与尖端和超导体之间分离的关系。这使他们能检测返回到超导体的安德烈夫反射量，同时保持与单个原子相当的成像分辨率。实验结果完全符合理论模型。

这种在原子尺度上对库珀对的实验检测，为理解量子材料提供了一种全新的方法。研究人员第一次可独特地确定库珀对的波函数如何在原子尺度上重建，以及它们如何与原子尺度的杂质和其他障碍物相互作用。

这将使研究人员能解决量子材料中的各种开放问题。其中，“非常规超导体”是量子计算机的潜在基础构件，可提供在室温下实现超导的平台，而库珀对在“非常规超导体”中具有独特的内部结构。

新发现允许研究人员直接探测“非常规超导体”中库珀对的状态。它代表对量子材料的理解向前迈出重要一步，并有助于推动量子技术的开发。