摘要：1911年，海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现了超导现象，这一发现彻底改变了人们对凝聚态体系的理解，开启了对无电阻电流传输和宏观量子相干性的探索。在过去一个多世纪里，超导研究不仅推动了基础物理的发展，也为无损耗输电、量子计
1911年，海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现了超导现象，这一发现彻底改变了人们对凝聚态体系的理解，开启了对无电阻电流传输和宏观量子相干性的探索。在过去一个多世纪里，超导研究不仅推动了基础物理的发展，也为无损耗输电、量子计算、超高灵敏传感器等前沿技术提供了希望。然而，在超导电子学中，一个长期存在的挑战是如何开发能够高保真、低功耗地调控超导态的开关。
1966 年，法国物理学家皮埃尔-吉勒·德热纳（Pierre-Gilles de Gennes）提出了一个极具前瞻性的设想：“绝对超导开关”。在他的模型中，一个超导层夹在两个铁磁层之间，超导能否存在取决于铁磁层的磁化排列。如果能实现这种机制，就有望获得一种非易失、超低能耗的超导开关。然而，数十年来，尽管理论优美，实验始终未能完全实现这一设想。
近期，发表于 Nature Communications 的研究《Realisation of de Gennes’ absolute superconducting switch with a heavy metal interface》（借助重金属界面实现 de Gennes 的绝对超导开关）首次完成了这一突破。研究者通过在铁磁绝缘体与超导体之间引入具有强自旋轨道耦合的重金属层，增强了界面磁交换效应，从而实现了接近理想的“绝对开关”。
超导与铁磁性在传统上被视为“对立”的现象。超导依赖库珀对的形成，而库珀对对磁交换场极为敏感。在薄超导体被两层铁磁体夹持的情况下，超导态会随着铁磁层的磁化方向不同而发生剧烈变化：
平行排列：两个铁磁层的交换场叠加，强烈压制超导。反平行排列：交换场部分抵消，超导得以恢复。De Gennes 预测，在理想条件下，平行态时超导能够被完全熄灭，而反平行态时则完全恢复。临界温度的变化幅度 ΔTc可以达到极限值，即 ΔTc/Tc,AP=1。这就是所谓的“绝对开关”。
然而在随后的几十年里，实验结果往往差强人意。平行态下的超导抑制通常不完全，ΔTc/Tc,AP一般仅有10–20%。界面不完美、磁性耦合不足以及材料局限性被认为是关键障碍。
这一突破源自一种新颖的材料选择与界面工程。研究团队设计了多层异质结：
EuS（硫化铕）：强铁磁绝缘体，提供磁性层；Nb（铌）：常规超导体，具有较高临界温度；Au（金）：作为重金属间隔层，具有强自旋轨道耦合。关键创新在于在 EuS 与 Nb 之间插入 Au 层。EuS/Au 界面处强烈的自旋轨道相互作用极大增强了自旋混合电导，从而放大了磁性近接效应。在这种条件下：平行磁化时，超导完全被压制，即使在最低测量温度（20 mK）下也不再出现超导；反平行磁化时，超导仍然存在。实验实现了 ΔTc/Tc,AP≈1，即理论预言的“绝对开关”。
为了验证实验，研究者使用了基于格林函数方法的近接效应理论建模。结果表明，EuS/Au 界面的交换耦合强度远大于 EuS/Nb 直接接触的情况。换句话说，重金属层不仅作为间隔层存在，还扮演了“放大器”的角色，有效地增强了铁磁性对超导的影响。
对比实验也进一步验证了这一点。当 Au 被自旋轨道耦合很弱的 Al（铝）替代时，开关效率骤降，ΔTc/Tc,AP仅约 10%，回到了传统实验水平。这充分证明了强自旋轨道耦合界面是实现绝对开关的核心。
成功展示这种绝对超导开关，无论是在基础物理学还是应用技术方面，都代表着一个重要的里程碑。从理论上看，它为凝聚态物理学中一个长期存在的关键概念提供了重要的实验验证。从实践角度来看，其影响更为深远。
非易失性超导存储器： 平行态=“关”、反平行态=“开”，天然形成二进制逻辑，可望开发低功耗存储器。超低功耗电子器件： 无需依赖耗能的常规晶体管，数据中心和超级计算机能耗有望大幅降低。量子技术融合： 通过磁性控制超导开关，可用于调控约瑟夫森结或超导量子比特，推动混合量子器件的发展。基础研究： 为进一步探索超导、铁磁性与自旋轨道耦合之间的相互作用提供了实验平台。借助重金属界面实现的 de Gennes 绝对超导开关，标志着一个重要里程碑。通过精心设计 EuS/Au/Nb/EuS 结构，研究团队首次在实验中实现了 ΔTc/Tc,AP≈1，完整再现了理论预言。它不仅解决了超导与磁性交互的难题，也为超低能耗电子器件和量子计算开辟了新途径。这项成果既是对 de Gennes 远见卓识的最好回应，也预示着超导自旋电子学即将进入一个崭新的阶段。
来源：万象经验一点号
