科學家們日前在一個Kagome超導體中觀察到了一種新型電子相的特徵，這種電子相能夠使電荷自發地循環流動。通過使用超靈敏的μ子自旋光譜，研究人員在該材料內部發現了打破時間反演對稱性（time-reversal symmetry）的磁場，這表明存在着尋找已久的”軌道電流”。2022年2月9日發表在《自然》雜誌上的這一發現，有助於理解高溫超導性和支撐下一代設備研究的量子現象。
Kagome圖案是一個由交錯的三角形組成的網絡，在日本傳統的籃子編織者和凝聚態物理學家中很有名。Kagome晶格中金屬原子不尋常的幾何形狀以及由此產生的電子行為使其成為探究奇怪和奇妙的量子現象的樂園，這些現象構成了下一代設備研究的基礎。
一個關鍵的例子是非常規的–如高溫超導性，它不遵循傳統的超導規律。大多數超導材料在開爾文幾度的溫度下表現出它們看似神奇的零電阻特性：這些溫度對於大多數應用來說根本不切實際。表現出所謂的“高溫”超導性的材料，其溫度可以通過液氮冷卻實現（甚至在室溫下），是一個誘人的前景。尋找和合成表現出非常規超導性的新材料已成為凝聚態物理學家的“聖杯”–但要達到這一目的，需要對材料中的奇異、拓撲電子行為有更深入的了解。
長期以來，人們一直在爭論一種異乎尋常的電子傳輸行為，這種行為導致了環狀電荷的自發流動，是高溫超導性的前兆，也是另一種神秘現象背後的機制：量子反常霍爾效應。鄧肯·霍爾丹因在理論上發現了物質的拓撲相變和拓撲相而在2016年獲得諾貝爾物理學獎。這種拓撲效應發生在某些二維電子材料中，與即使在沒有外加磁場的情況下產生的電流有關。了解量子反常霍爾效應不僅對基礎物理學很重要，而且對新型電子和設備的潛在應用也很重要。現在，一個由瑞士保羅謝勒研究所（簡稱PSI）領導的國際合作組織已經發現了支持這種難以捉摸的電子傳輸行為的有力證據。
由PSI介子自旋光譜學實驗室的研究人員領導的團隊發現了弱的內部磁場，表明在一個相關的Kagome超導體中存在一種奇特的電荷排序。這些磁場打破了所謂的時間反演對稱性，這是一種對稱性，意味着無論你看一個系統的時間是向前還是向後，物理學定律都是一樣的。
對打破時間反演對稱性的磁場的發生的一個自然解釋是一種新的電荷排序。電荷有序可以理解為通過晶格對電子密度的周期性調製，以及將原子重新排列成高階（超晶格）結構。研究小組將他們的研究集中在Kagome晶格，KV3Sb5上，該晶格在2.5開爾文以下超導。在大約80開爾文的較高臨界溫度以下，在該材料中觀察到一個巨大的量子反常霍爾效應，這在以前是無法解釋的。在這個大約80開爾文的臨界溫度以下出現了奇異的電荷排序，稱為“電荷排序溫度”。
所發現的打破時間反演對稱性的磁場意味着一種異乎尋常的電荷秩序，其中電流在Kagome晶格的單位單元周圍移動，被稱為“軌道電流”。這些產生的磁性由原子晶格中電子的擴展軌道運動主導。
領導該團隊的通訊作者、來自PSI Muon Spin Spectroscopy實驗室的Zurab Guguchia解釋說：“這種現象的實驗實現異常具有挑戰性，因為表現出軌道電流的材料非常罕見，而且（軌道電流的）特徵信號往往太弱而無法被檢測到。”
雖然以前的研究顯示了在超導溫度以下的時間反演對稱性的打破，但這是第一個時間反轉對稱性被電荷秩序所破壞的例子。這意味着，這種假定的異域電荷秩序屬於物質的新量子階段。
一個極具說服力的證據
為了尋找長期存在爭議的“軌道電流”，物理學家們使用了高度敏感的μSR（μSR）來檢測它們會產生的微弱的、提示性的磁信號。植入樣品中的介子作為材料內部磁場的局部和高度敏感的磁探針，使小至0.001微波爾的磁場都能被檢測到。在有內部磁場的情況下，μ介子的自旋會去極化。μ介子衰變為高能正電子，這些正電子沿着μ介子自旋的方向發射出去，並攜帶着當地環境中μ介子自旋極化的信息。
研究人員觀察到，當溫度降低到80K以下（電荷排序溫度）時，磁性信號出現了系統性轉變。利用PSI的世界上最先進的μSR設施，它可以應用高達9.5特斯拉的場，研究小組可以使用外部高磁場來加強微小的內部磁場的轉變，並提供更有力的證據表明磁場是由內部軌道電流引起的。
“我們首先在沒有外部磁場的情況下進行了實驗，”Guguchia博士解釋說，“當我們看到系統的轉變出現在電荷排序溫度以下時，我們感到非常有動力繼續下去。但是當我們隨後應用高場並能促進這種電子反應時，我們感到非常高興。這是一個非常、非常有說服力的證據，證明了長期以來一直難以捉摸的東西。”
對非常規超導性和量子反常霍爾效應的更深理解
這項研究可以說提供了最有力的證據，證明長期爭論不休的“軌道電流”確實存在於Kagome材料KV3Sb5中。理論表明，量子反常霍爾效應起源於“軌道電流”。因此，在一些表現出奇大的量子反常霍爾效應的非常規超導體中都提出了“軌道電流”；即石墨烯、銅酸鹽和Kagome晶格，但直到現在還沒有實際證據證明它們的存在。
打破時間反演對稱性的磁場的發現，意味着軌道電流–以及產生它們的奇特電荷排序，為物理學和下一代設備研究的奇異途徑打開了大門。軌道電流被認為在包括高溫超導在內的各種非常規傳輸現象的機制中發揮着基本作用，其應用範圍包括電力傳輸和MAGLEV列車。軌道電流的概念也構成了軌道電子學的基礎–這是一個利用軌道自由度作為固態設備的信息載體的領域。