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为探究超绝缘性起源及相关物理现象，研究人员对纳米图案 NbTiN 平板开展研究。发现其存在 3D 超绝缘性，电导符合 VFT 标度，还观测到极性向列序。证实超绝缘性源于电约束，与无序无关，为超绝缘材料研究提供新方向。
在凝聚态物理的奇妙世界里，超绝缘材料一直是科学家们探索的前沿领域。超绝缘体作为超导态的 “镜像”，其内部存在着由磁单极子凝聚或磁单极子瞬子形成的独特量子态，电通量管如同 “电磁胶水” 般束缚着电荷，导致材料呈现出无限大电阻的奇特性质。然而，此前多数超绝缘现象仅在二维超导薄膜中被观测到，且这些体系往往依赖于无序结构或颗粒状构造，这使得超绝缘性的起源 —— 究竟是源于电约束的本征物理机制，还是由材料无序性诱导的非本征效应 —— 成为学术界争论的焦点。此外，三维（3D）体系中的超绝缘行为是否存在，以及有序结构能否支持超绝缘态，这些问题始终悬而未决，如同迷雾般笼罩着该领域的研究。
为了驱散这些迷雾，俄罗斯新西伯利亚的 A.V. Rzhanov 半导体物理研究所与瑞士 Terra Quantum AG 等机构的研究人员携手合作，开展了一项极具突破性的研究。他们将目光聚焦于纳米图案化的 NbTiN（铌钛氮）平板，通过在材料中刻蚀规则的孔洞阵列，构建出一种新型的三维超绝缘超材料。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，为超绝缘领域的发展掀开了崭新的篇章。
研究人员采用了一系列关键技术来揭开三维超绝缘性的神秘面纱。首先，利用原子层沉积（ALD）技术在 SiO?/Si 衬底上生长了厚度仅 10 nm 的 NbTiN 多晶薄膜，高分辨率电子显微镜显示其晶粒尺寸约为 5 nm。接着，通过紫外光刻和等离子体刻蚀技术，将薄膜加工成宽度 100 μm 的桥状结构，并在其上制备了直径约 40 nm、周期 100 nm 的方形孔洞阵列，形成了包含数百万个晶格单元的超大尺寸约瑟夫森结阵列（JJA）。实验在稀释制冷机中进行，运用标准的双探针低频交直流技术，精确测量了电阻和微分电阻随温度及磁场的变化，所使用的锁相放大器、亚飞安表和纳伏表等精密仪器，为获取可靠数据提供了坚实保障。
纳米图案材料的超绝缘行为
研究人员对两种不同尺寸的穿孔薄膜进行了电导温度依赖性测量。结果发现，初始未穿孔的 NbTiN 薄膜是超导体，临界转变温度 TC=1.8 K，而穿孔后的薄膜电导并未像超导体那样发散，而是趋近于零，展现出典型的超绝缘行为。在低温下，电导在特定临界温度以下完全消失，这一临界温度通过 VFT 标度确定，2 mm 长样品的 TVFT=0.31 K，1 mm 样品的 TVFT=0.275 K，明确证实了这些纳米穿孔样品是三维体超绝缘体。有限尺寸效应分析表明，理论预测的偏离温度与实验测量结果高度吻合，进一步支持了三维超绝缘态的存在。
电迈斯纳态与极性向列序
在电迈斯纳态下，研究人员深入探究了外部电磁场对超绝缘样品的影响。当施加垂直于薄膜表面的磁场时，样品内部会激发电弦（类似于强相互作用中的 π 介子，由连接库珀对和库珀空穴的电通量管构成）。这些电弦在磁场作用下发生定向运动，其相互作用与磁场效应的竞争催生了极性向列序。实验发现，低磁场强度时，电弦因磁场作用呈铁电排列，形成极化图案；而高磁场强度下，弦间反铁电相互作用占主导，极化效应消失。零磁场下观测到的微弱感应电压，则被认为是基态中磁单极子凝聚导致的电场环路效应所致。当同时施加面内电场和垂直磁场时，复杂的极化图案随电压和磁场的变化而演变，进一步揭示了极性向列序的物理本质。
超绝缘性起源与无序无关的验证
此前，超绝缘性常被认为与材料的无序结构相关，但该研究中的纳米图案材料具有完美的规则有序结构。实验清晰表明，在这种有序体系中依然存在显著的超绝缘现象，这直接排除了无序作为超绝缘起源的可能性。结合理论模型，研究人员指出，超绝缘性本质上源于磁单极子的凝聚，导致电通量管对电荷的约束，这一过程与材料的有序性无关，从而从实验和理论层面双重证实了超绝缘性的本征起源是电约束。
这项研究成果具有里程碑式的意义。它首次在规则有序的三维结构中观测到超绝缘性，打破了 “超绝缘依赖无序” 的传统认知，为超绝缘现象的物理机制提供了确凿的实验证据。所发现的极性向列序，揭示了超绝缘体系中电磁场与量子序之间的复杂相互作用，拓展了人们对强关联量子态的理解。此外，超大尺寸约瑟夫森结阵列的成功构建，为未来设计和制备高性能超绝缘器件奠定了坚实基础，有望在量子计算、高灵敏度传感器等领域引发革命性突破。正如研究人员所言，这项工作不仅解决了超绝缘领域的核心科学问题，更开启了一扇通往新型量子材料和器件的大门，让我们对凝聚态物理的未来充满期待。
