科学家首次揭示了二碲化铀超导体的两次异常比热变化

研究人员种出的新型拓补超导晶体（图自：NIST）

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”。

研究配图 – 1：UTe₂ 单晶的微波表面阻抗

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，UTe₂ 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：UTe₂ 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，UTe₂ 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 UTe₂》。

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 UTe₂ 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 UTe₂ 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 UTe₂ 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 UTe₂ 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 UTe₂ 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 UTe₂ 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 UTe₂ 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 UTe₂ 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，UTe₂ 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UTe₂ 的超导状态是具有拓补特征的。