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mdash；mdash；二碲化铀（或简称UTe2）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JohnpierrePaglione表示：
　　ldquo；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rdquo；。
　　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AharonKapitulnik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《AnomalousnormalfluidresponseinachiralsuperconductorUTe2》。
　　而在另一项研究中，由UMD物理学教授、兼QMC成员StevenAnlage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（MajoranaModes），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》（NatureCommunications）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mdash；mdash；电子圆舞中有一个ldquo；台风眼rdquo；。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NicholasButch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：ldquo；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rdquo；。
　　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。
　　SCITechDaily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DanielF。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。
　　【来源：cnBeta。COM】