Field-controlled breaking and restoration of parity-time symmetry in Josephson interference

对称性是物理世界的隐藏语法，是一套规定物质如何行为以及能量如何移动的规则。在量子物理领域，其中微粒的行为更像波而非固体，这些规则显得尤为严格。科学家经常寻找打破这些对称性的方法，以创造新的物质状态或制造具有异常行为的器件。其中一个引人入胜的研究领域涉及超导体，即那些几乎无电阻地导电的材料。当两个超导体被一层薄薄的屏障隔开时，它们仍然可以相互“对话”，允许电流在间隙中流动而无需电池。这种被称为超电流的流动对磁场极其敏感。通过施加磁场，研究人员可以使这种电流发生干涉，产生类似于两颗石子投入池塘时形成的涟漪般的峰值与谷值模式。理解如何控制这些模式，使科学家能够设计出具有特定且实用属性的量子器件。

现在，一组研究人员展示了一种方法，只需通过旋转磁场，即可实现这些干涉模式的开启与关闭，并改变其形状。研究团队使用了一块由铂碲（platinum telluride）组成的薄片制成的器件，该薄片被夹在两个超导电极之间，他们发现，相对于电流方向的磁场方向起到了主开关的作用。当磁场在特定方向施加时，干涉模式会变得不对称，一侧的涟漪模式比另一侧大得多。然而，如果他们将磁场旋转九十度，即使磁场依然很强，模式也会恢复成完美的对称形状。这种在破缺对称性与恢复对称性之间进行切换的能力，为控制量子输运提供了一种新途径，将磁场的几何形状转化为了重新配置器件行为的工具。

实验是在一个温度略高于绝对零度（约50毫开尔文）的实验室中进行的，以确保脆弱的量子效应保持可见。研究人员使用了一块厚度在20到40纳米之间的铂碲薄片构建了该器件。他们在薄片的两侧连接了由铌钛（niobium-titanium）制成的超导电极，从而创建了一个超电流可以流动的结。为了探测该系统，他们施加了一个包含两个分量的磁场：一个垂直穿过器件，另一个则平铺在材料的平面内。通过改变这个平面内磁场相对于电流的角度，他们可以观察干涉模式是如何演变的。

当没有平面磁场时，器件表现如预期，产生一种经典的、对称的模式，称为夫琅和费模式（Fraunhofer pattern）。这种模式具有一个大的中心峰值和两侧较小的、等间距分布的峰值，表明超电流在结处均匀流动。但一旦他们引入了平行于电流的平面磁场，对称性便消失了。模式变得严重扭曲，中心极大值一侧的峰值缩小，而另一侧的峰值则增大。这种不对称性非常显著，看起来就像是自身的镜像被翻转了一样。研究人员发现，这种效应并非随机发生的；它完全取决于电流与磁场之间的夹角。当磁场与电流平行时，扭曲最为严重。当他们将磁场旋转至垂直于电流时，模式立即恢复到了原始的对称状态。

为了理解发生的原因，团队开发了一个关于器件内部情况的微观模型。他们意识到，超导电极不仅仅是消极的墙壁，它们还会主动重塑穿过它们的磁场线。由于被称为迈斯纳效应（Meissner effect）的特性——即超导体排斥磁场——平行的磁场线在接近电极边缘时被迫发生弯曲。这种弯曲在超导体与常态材料的界面处创造了微小的局部区域，在其中一个点磁场向上，而在另一个点磁向下的效果，实际上形成了一个磁偶极子。

这些微小的磁偶极子就像“隐形的手”，推挤和拉扯着流经结部的电子路径。在一个完美、无瑕的材料中，这些推力会相互抵消。然而，现实中的材料总是包含一些无序性——即导致电子散射的原子结构中的微小缺陷。由于这种无序性，电子在结部采取了不同的、蜿蜒曲折的路径。有些路径采样了磁偶极子的“向上”部分，而另一些路径则采样了“向下”的部分。当研究人员反转主磁场方向时，这些不同路径上的电子体验到了不同的净推力，导致干涉模式发生偏移并变得不对称。这种效应的强度取决于平面磁场的取向。当磁场平行于电流时，磁场线的弯曲达到最大，产生了强烈的偶极子，从而扰乱了干涉模式。当磁场垂直时，弯曲被最小化，偶极子消失，对称性得以恢复。

研究人员仔细排除了其他可能的解释。他们考虑了材料本身是否具有偏好某一方向的内在属性，但实验表明，该效应是随器件一起旋转的，而不是随材料的晶体结构旋转。他们还测试了不同长度和取向的器件，行为保持一致，证实了这一现象是由磁场与电流的几何关系驱动的，而非源于样本的特定缺陷。此外，他们利用计算机模拟来建模系统，并将无序性和磁场聚焦效应纳入其中。这些模拟完美地重现了实验结果，表明交织的弯曲磁场线与电子的无序路径之间的相互作用确实是诱因。

这一发现建立了一种新型的可控量子器件。通过简单地旋转磁场，科学家现在可以使超导结在对称性破缺状态与对称性恢复状态之间进行切换。这不仅仅是一个理论上的奇趣现象；它为工程化量子输运的对称性提供了一种实用的方法。通过改变场-流几何关系来选择正在探测的对称操作，可以为开发新型传感器和开关打开大门。例如，该器件可以用于高精度检测磁场的方向，或者成像超电流在材料中经过的路径。这项工作强调了无序性——通常被视为量子系统中的干扰因素——在结合正确的磁环境时，可以如何被转化为一种特性。

研究结果表明，这些器件的行为受控于磁场聚焦能力与材料内部随机结构之间的微妙平衡。研究人员指出，这种效应在约70毫特斯拉的磁场强度下依然存在，对于如此精细的量子现象而言，这是一个相当大的范围。在垂直角度下对称性的恢复表现得尤为稳健，即使随着磁场强度的增加也依然成立。这表明该机制是稳定且可靠的，使其成为未来量子技术的有力竞争者。

在更广泛的物理学背景下，这项工作增进了人们对如何利用外部场操纵量子态的理解。它证明了对称性不仅是材料的一种固定属性，更是一个可以实时调节的动态自由度。研究人员已经展示，通过控制电流与磁场的相对取向，人们可以有效地“编写”和“擦除”超导电子的干涉规则。这种控制水平是构建更先进量子电路的重要一步，因为在这些电路中，能够实时重新配置器件行为的能力至关重要。该研究提供了一条清晰且经过实验验证的路径，其基础在于磁场与超导体及无序材料相互作用的基本物理原理。