近日，丹麥高等研究院與北京工業大學、日本國立物質材料研究所、比利時魯汶大學、中南大學、英國布里斯托大學、比利時根特大學等合作，利用化學氣相沉積法及微納加工技術制備了納米尺度的 “鉆戒”，并在這些 “鉆戒” 中發現了金屬-玻色半導體相變與非常規 “巨磁阻” 效應。這些發現為超導量子器件的設計提供了新思路。

       相關研究論文成果以 Unconventional Giant “Magnetoresistance” in Bosonic Semiconducting Diamond Nanorings 為題，已發表在科學期刊 Advanced Materials 上。
       材料按其電學性質可粗略地分為絕緣體、半導體、導體和超導體。當溫度降低時，因其非零的禁帶寬度，絕緣體與半導體的電阻往往升高。金屬作為良導體，其電阻通常隨溫度的降低而減小。超導體在較高的溫度下一般呈現類似金屬的電學性質。在低溫下，當超導體中的自由電子結合為庫珀對且發生量子凝聚時，其電阻突降至零。當前，除了人們耳熟能詳的超導磁懸浮列車，超導體也被用于開發先進的量子器件，如單光子探測器和量子計算機等。
       長期困擾物理與材料學界的一個問題是：庫珀對的形成是否必然導致材料從金屬態到超導態的相變？此問題在上述國際研究團隊的合作下得到了解答。該團隊選取硼摻雜的人造金剛石（鉆石）為原材料，利用先進的微納加工技術，制備出了納米尺度的金剛石環狀結構（“鉆戒”）。這些納米“鉆戒”在相對較高的溫度下表現出類金屬的電學性質，當溫度降至其原材料的超導相變溫度時，它們的電阻顯著飆升而非突降。該反常相變的發生是由納米“鉆戒”對庫珀對的拘禁造成的。庫珀對的形成以自由單電子的消耗為代價，當納米“鉆戒”有效充當了庫珀對的量子阱時，體系將“無電可導”，故而電阻飆升。因為這種相變與庫珀對（玻色子）的形成以及動態息息相關，所以團隊將之定義為金屬-玻色半導體相變。該發現與傳統的金屬-絕緣體相變有本質的區別，后者往往由單電子（費米子）的局域化造成。
       伴隨著金屬-玻色半導體相變的發生，納米“鉆戒”展現了非常規“巨磁阻”效應。常規巨磁阻效應是由自旋相關的電子散射造成的，現今被廣泛應用于電腦硬盤數據的讀取。由磁性與非磁性材料組成的多層膜結構是硬盤讀取磁頭的關鍵組件，當該結構處于硬盤磁疇產生的磁場中時，自旋相關的電子散射會被抑制，導致結構電阻的大幅降低，從而實現對數據的識別和讀取。與常規巨磁阻效應不同，納米“鉆戒”中的“巨磁阻”效應是庫珀對的湮滅導致的。在外加磁場中，納米“鉆戒”中的庫珀對被拆分成單電子，這些單電子的釋放使得體系變得“有電可導”，從而電阻驟降。
       該研究揭示了一系列新穎的量子現象，拓展了對材料傳統分類的認識，為超導量子器件的開發提供了新的物理基礎、材料平臺和設計思路。丹麥高等研究院張固非教授發起了該項研究，并和北京工業大學柯小行教授、日本國立物質材料研究所廖梅勇主席研究員、比利時魯汶大學劉立旺博士、中南大學李業軍教授等人擔綱了主要研究工作。