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科学家首次揭示了二碲化铀超导体的两次异常比热变化

  正在寻找一种非常规超导体的科学家们,已经提供了迄今为止最让人信服的证据。在两篇论文中,马里兰大学(UMD)量子材料中心(QMC)的研究人员及其同事表明 —— 二碲化铀(或简称 UTe 2 )具有拓扑超导体的许多特征,或有助于找到构建量子计算机和其它未来设备的新方法。

  据悉,超导体能够毫无阻力地承载电流,常见的有核磁共振成像(MRI)和其它科学仪器中的大型超导线圈,但它不大可能在未来几十年内走入寻常百姓家。

  自 2000 年代初期以来,科学家们一直在寻找一种特殊的超导体,其依赖于实际承载其电流的亚原子粒子的复杂编排。

  近日,UMD 物理学教授、兼 QMC 主任、以及其中一篇论文的资深作者 Johnpierre Paglione 表示:

  “大自然可能是邪恶的,但我们看到这些古怪的东西,可能还有其它的原因。老实说,在我的职业生涯中,我们从未见过这样的事情”。

  马里兰大学量子材料中心的研究人员,刚刚介绍了其培育出的一种很有前途的拓扑超导晶体。所谓拓补,意味这些形状能够通过推拉轻轻地相互转换。

  举个例子,一个面团球能够做成一条 面包 或一个披萨饼。但若不在中间戳个洞,你就无法将之做成甜甜圈。但从拓补学上来讲,面包与馅饼是一类,而甜甜圈又是另一类。

  在拓补超导体中,电子围绕着彼此跳舞,同时绕着类似于甜甜圈中心的洞而运转。遗憾的是,此前一直缺乏好的方法,来切开超导体并放大观察这种电子舞步。

  目前判断电子是否在抽象的甜甜圈上晃动的最佳方法,就是观察材料在实验中的表现。好消息是,新研究论文表明,UTe 2 看起来很像是具有此前从未被证明的拓补结构。

  

研究配图 - 2:UTe 2 异常残余电导率与其它超导体的对比

  Paglione 团队与斯坦福大学 Aharon Kapitulnik 小组的合作发现,UTe 2 中同时存在不止一种、而是两种超导体。

  根据这一结果,以及光从材料反弹时的改变方式(撇开先前发表的实验证据),研究人员得以将具有拓补结构的超导类型缩小到两种。

  感兴趣的朋友,可翻阅 2021 年 7 月 15 日发表于《科学》( Science )杂志上的这篇文章,原标题为《Anomalous normal fluid response in a chiral superconductor UTe 2 》。

  而在另一项研究中,由 UMD 物理学教授、兼 QMC 成员 Steven Anlage 带领的一支研究团队,又揭示了相同材料的表面异常行为,且与长期受追捧的拓扑保护马约拉纳模式现象一致。

  所谓马约拉纳模式(Majorana Modes),特指行为表现得像是半个电子的奇异粒子,科学家们预计它会出现在拓扑超导体的表面。

  

研究配图 - 3:来自超流体密度的轴向三重配对状态的证据

  这项发现让科学家们感到十分激动,因其有望为构建强大的量子计算机而奠定基础。感兴趣的朋友,可翻阅 2021 年 5 月 21 日的《自然通讯》(Nature Communications)期刊。

  Anlage 及其团队在报告中指出,超导体只会在特定温度以下,才会表现出特殊的性质,就像水只会在零摄氏度以下结冰一样。

  在普通超导体中,电子配对成了双人的康加舞线,并通过金属相互跟随。但在一些罕见的情况下,电子偶会围绕彼此,跳上更类似于华尔兹的圆形舞蹈。

  如果从拓补学的角度来解释,这种情况也更加特殊 —— 电子圆舞中有一个“台风眼”。一旦电子以这种方式配对,漩涡就难以摆脱,这也是拓补超导体相较于普通舞步的不同之处。

  其实早在 2018 年,该团队就与 UMD 物理学兼职副教授、美国国家标准与技术研究院(NIST)物理学家 Nicholas Butch 的团队合作,意外发现了 UTe 2 这种超导体。

  值得一提的是,它似乎不受大磁场的影响(通常会因分裂电子舞蹈而破坏其超导性),这也是 UTe 2 中的电子对,较平时更紧密地相互结合的首个线索。

  据推测,这可能是因为它们的配对舞步是呈现圆形的,然后这个设想引发了许多其他人对该领域研究的浓厚兴趣。

  Anlage 补充道:“这有点像是一个完 美的 风暴超导体,结合了许多此前从未见过的特点”。

  此外在新论文中,Paglione 与合作者报告了两个新的测量结果,并揭示了 UTe 2 的内部结构。

  UMD 团队测量了材料的比热,即将材料加热 1 ℃ 所需的能量。然后研究人员测量了不同起始温度下的比热,并观察温度随超导特性的变化。

  通常情况下,能级会在材料向超导状态转变时有很大的跳跃。但我们实际上有看到两次跳跃。

  所以这是 UTe 2 具有两个超导跃迁的证据、而不仅仅是一个,这种特性是非同寻常的。

  SCI Tech Daily 指出,两次跳跃表明 UTe 2 中的电子,可以配对成执行两种不同的舞蹈模式中的任何一种。

  在第二次测量过程中,斯坦福团队将激光照射到一块 UTe 2 样品上,并注意到反射回来的光有点扭曲。

  在发射上下摆动的光源时,反射光主要是上下摆动的、但也带有一点左右特征,意味着超导体内部的某些东西带来了光的扭曲、且在输出时未能解除其封印。

  然后斯坦福大学的 Kapitulnik 团队还发现,磁场可以迫使 UTe 2 以一种或另一种方式扭曲光。

  若在样品变成超导状态时施加一个朝上的磁场,则发出的光就会向左倾斜。如果将磁场指向下方,则光线就会向右倾斜。

  研究人员指出,这意味着在样品内部舞蹈的电子,晶体的上下方向有一些特殊之处。

  为弄清楚这一切对超导体中的电子有何意义,研究人员得到了威斯康星大学密尔沃基分校的理论家兼物理学教授、《科学》论文合著者 Daniel F. Agterberg 的帮助。

  理论指出,铀和碲原子在 UTe 2 晶体内的排列方式,允许电子偶尔以八种不同的舞蹈来配置组队。

  由于比热测量显示两种舞蹈在同时进行,因此 Agterberg 例举了将这八种舞蹈组合在一起的所有不同方式。

  此外反射光的扭曲特性、以及磁场沿上下轴的矫顽力,又将可能性减少到四种。

  先前的结果表明,UTe 2 的超导性,在大磁场下的稳健性,进一步将其限制在了其中两种电子舞蹈模式。

  这两种电子配对舞蹈,都形成了一个漩涡、并表明了一种暴风雨般的拓扑舞蹈。

  有趣的是,考虑到我们在实验中看到的情况的限制,目前最佳的理论,就表明其UTe 2 的超导状态是具有拓补特征的。

  【来源:cnBeta.COM】

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