科學家首次揭示了二碲化鈾超導體的兩次異常比熱變化

正在尋找一種非常規超導體的科學家們，已經提供了迄今為止最讓人信服的證據。在兩篇論文中，馬里蘭大學（UMD）量子材料中心（QMC）的研究人員及其同事表明 —— 二碲化鈾（或簡稱 UTe₂）具有拓撲超導體的許多特徵，或有助於找到構建量子計算機和其它未來設備的新方法。

研究人員種出的新型拓補超導晶體（圖自：NIST）

據悉，超導體能夠毫無阻力地承載電流，常見的有核磁共振成像（MRI）和其它科學儀器中的大型超導線圈，但它不大可能在未來幾十年內走入尋常百姓家。

自 2000 年代初期以來，科學家們一直在尋找一種特殊的超導體，其依賴於實際承載其電流的亞原子粒子的複雜編排。

近日，UMD 物理學教授、兼 QMC 主任、以及其中一篇論文的資深作者 Johnpierre Paglione 表示：

“大自然可能是邪惡的，但我們看到這些古怪的東西，可能還有其它的原因。老實說，在我的職業生涯中，我們從未見過這樣的事情”。

研究配圖 – 1：UTe₂ 單晶的微波表面阻抗

馬里蘭大學量子材料中心的研究人員，剛剛介紹了其培育出的一種很有前途的拓撲超導晶體。所謂拓補，意味這些形狀能夠通過推拉輕輕地相互轉換。

舉個例子，一個麵糰球能夠做成一條麵包或一個披薩餅。但若不在中間戳個洞，你就無法將之做成甜甜圈。但從拓補學上來講，麵包與餡餅是一類，而甜甜圈又是另一類。

在拓補超導體中，電子圍繞着彼此跳舞，同時繞着類似於甜甜圈中心的洞而運轉。遺憾的是，此前一直缺乏好的方法，來切開超導體並放大觀察這種電子舞步。

目前判斷電子是否在抽象的甜甜圈上晃動的最佳方法，就是觀察材料在實驗中的表現。好消息是，新研究論文表明，UTe₂ 看起來很像是具有此前從未被證明的拓補結構。

研究配圖 – 2：UTe₂ 異常殘餘電導率與其它超導體的對比

Paglione 團隊與斯坦福大學 Aharon Kapitulnik 小組的合作發現，UTe₂ 中同時存在不止一種、而是兩種超導體。

根據這一結果，以及光從材料反彈時的改變方式（撇開先前發表的實驗證據），研究人員得以將具有拓補結構的超導類型縮小到兩種。

感興趣的朋友，可翻閱 2021 年 7 月 15 日發表於《科學》（Science）雜誌上的這篇文章，原標題為《Anomalous normal fluid response in a chiral superconductor UTe₂》。

而在另一項研究中，由 UMD 物理學教授、兼 QMC 成員 Steven Anlage 帶領的一支研究團隊，又揭示了相同材料的表面異常行為，且與長期受追捧的拓撲保護馬約拉納模式現象一致。

所謂馬約拉納模式（Majorana Modes），特指行為表現得像是半個電子的奇異粒子，科學家們預計它會出現在拓撲超導體的表面。

研究配圖 – 3：來自超流體密度的軸向三重配對狀態的證據

這項發現讓科學家們感到十分激動，因其有望為構建強大的量子計算機而奠定基礎。感興趣的朋友，可翻閱 2021 年 5 月 21 日的《自然通訊》（Nature Communications）期刊。

Anlage 及其團隊在報告中指出，超導體只會在特定溫度以下，才會表現出特殊的性質，就像水只會在零攝氏度以下結冰一樣。

在普通超導體中，電子配對成了雙人的康加舞線，並通過金屬相互跟隨。但在一些罕見的情況下，電子偶會圍繞彼此，跳上更類似於華爾茲的圓形舞蹈。

如果從拓補學的角度來解釋，這種情況也更加特殊 —— 電子圓舞中有一個“颱風眼”。一旦電子以這種方式配對，漩渦就難以擺脫，這也是拓補超導體相較於普通舞步的不同之處。

其實早在 2018 年，該團隊就與 UMD 物理學兼職副教授、美國國家標準與技術研究院（NIST）物理學家 Nicholas Butch 的團隊合作，意外發現了 UTe₂ 這種超導體。

值得一提的是，它似乎不受大磁場的影響（通常會因分裂電子舞蹈而破壞其超導性），這也是 UTe₂ 中的電子對，較平時更緊密地相互結合的首個線索。

據推測，這可能是因為它們的配對舞步是呈現圓形的，然後這個設想引發了許多其他人對該領域研究的濃厚興趣。

Anlage 補充道：“這有點像是一個完美的風暴超導體，結合了許多此前從未見過的特點”。

此外在新論文中，Paglione 與合作者報告了兩個新的測量結果，並揭示了 UTe₂ 的內部結構。

UMD 團隊測量了材料的比熱，即將材料加熱 1 ℃ 所需的能量。然後研究人員測量了不同起始溫度下的比熱，並觀察溫度隨超導特性的變化。