对于最近加入加州理工学院担任材料科学助理教授的约瑟夫·法尔森来说，电子就像奇异的超级跑车，因为它们拥有惊人的能力。
考虑超导现象，其中成对的电子不受阻碍地飞行，导致材料显示零电阻。然而，当电子穿过不纯物质时，或者当超导性被破坏时，这些才能就会丧失。在falson27的类比中，他把这比作驾驶一辆超级跑车行驶在鹅卵石街道上，限制了它的速度。我们的工作不是制造超级汽车，而是制造高速公路，他说。
在加州理工学院，他以两种方式应对材料挑战。首先，他和他的学生将尝试合成新材料，以显示新的电子特性。理论家们已经提出了许多这样的材料，其中许多现在已经成熟，可以在一个稳定的实验环境中创造出来。第二种方法是测试和改进已知的材料，特别是超薄膜，其中一些是外来超导体。
使用后一种方法,Falson清华大学和他的同事们在中国和德国的马克斯·普朗克固体研究所发现超导材料,保留其超导即使暴露于磁场,根据传统理论的预测,通常应该破坏财产。这项研究发表在3月27日出版的《科学》杂志上。
打破了规则
对于那些寻求研究超导性并最终实际利用它的人来说，问题在于，到目前为止，人们只在不高于-70摄氏度的超冷温度下认识到这一点。有一股强大的力量去实现室温超导性——这是科学的圣杯之一，法尔森说，因为这样你就可以把这些材料用在发动机或传输线上，损耗就会大大减少。它将使社会发生革命性的变化
然而，科学家要实现这一目标还面临许多挑战。扰乱超导性的三个主要因素是:温度升高、磁场暴露或携带高密度电流。此外，这些因素是相互关联的:环境温度越高，破坏其超导性所需的临界磁场就越小。然而，在他们的新研究中，法尔森和同事测试了一种被怀疑具有奇异电子特性的材料，并证明其超导性比理论所认为的更能抵抗外部磁场。
研究人员从一个普通的硅衬底开始，在它上面放置许多薄的晶体层材料，如碲化铋和碲化铅。最上层的灰色锡只有几个原子层那么厚，这时锡就变成了二维的;该层中的电子只能在锡的平面内移动，不能上下移动。早期的理论工作表明这种多层材料具有奇异的电子特性，而其他研究人员意外地发现这些薄膜具有超导性。法尔森将这种材料冷却到极低的温度，以进一步研究超导性，并发现了意想不到的反常行为。
研究的关键是电子的量子特性，即自旋。电子的自旋是指它的角动量;这种性质可以用大小和方向来衡量。他说，在正常的超导材料中，自旋相反的电子会变成库珀对，即负责超导的粒子。在散装材料中，自旋可以指向任何方向。然而，在某些薄膜中，自旋方向与材料的底层电子结构耦合，导致自旋倾向于指向平面外的"。换句话说，如果你把锡层想象成一张纸，它的自旋倾向于垂直于纸的平面。
然而，当电子暴露在磁场中时，电子的自旋倾向于与磁场的方向一致。在锡层的研究中，falson_27;s组施加了一个大的磁场" In -plane,"的意思是与纸平行。他们发现，改变自旋方向，从而消除超导性，需要的磁场强度比现有理论预测的要多40%，而这种效果只有在实验温度接近绝对零度时才会明显。为解释这些结果而发展起来的一种新的理论方法证实，层状材料的潜在结构特性使电子不愿翻转。
一些falson27的合作者发表了一项相关研究，解释了这一发现的含义，并预测了另外200种对磁场具有同样弹性的理论材料。位于哈利·g·斯蒂尔实验室的美国加州理工学院新实验室正在建设中，该实验室将试图找出那些预测的材料中哪些可以在现实世界中显示出类似的物理现象。他和他的同事将通过一种叫做分子束外延的技术来合成这种材料:在真空室中，各种元素将被蒸发，形成分子束。然后，这些材料将在精心挑选和制备的几层只有几纳米厚的衬底上积累。我们必须在其他晶体的上面生长晶体。这就是我们与块状晶体种植者的区别，"法尔森解释说。我们可以研究不同材料的三文治或异质结构，并研究它们的涌现性
世界各地的
法尔森第一次对材料的物理性质产生兴趣是在他的祖国澳大利亚上大学的时候，然后他踏上了环游地球的旅程，来到了加州理工学院。在新南威尔士大学(University of New South Wales)完成本科学业后，他获得了日本政府用于鼓励外国学者到日本学习和研究的一个项目的奖学金。在东京大学攻读博士期间，他学习了晶体生长和凝聚态物理，这是一门探索物质的宏观和微观属性的学科，同时也学了一点日语。在他于2020年初到达帕萨迪纳之前，博士后工作带他去了德国的马克斯·普朗克研究所。
法尔森说，加州理工学院的校园给人一种家的感觉。我喜欢这里的桉树，他说。它让我想起了家。我记得在面试期间在校园里四处走着，闻到了桉树的味道
加州理工学院对基础科学的研究方法也吸引了他。他不想在大学或国家实验室工作，与许多人研究同样的课题，他想去一个地方，让他去新的方向，比如他在合成新材料方面的基础工作。他说:“我很高兴他们愿意冒这个险，支持这个方向。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://www.caltech.edu/about/news/joseph-falson-superconducting-layer-magnetic-field