中子撞击二碲化铀的示意图。铀（灰色）和碲（棕色）的晶体被怀疑具有自旋三重态超导性，这种状态以自旋指向相同方向的电子对（蓝色）为特征。在中子散射实验中，射入的中子会使自旋翻转（红色）。来源：Jill Hemman/ORNL
据美国莱斯大学（Rice University）2021年12月22日报道，由其主导的一项研究正促使物理学家重新思考二碲化铀的超导性。在建造容错量子计算机的全球竞赛中，二碲化铀是最被看好的材料之一。
二碲化铀被认为具有罕见的“自旋三重态”超导性，但12月22日发表在《自然》（Nature）上的一项研究却给出了令人费解的实验结果，颠覆了对这种材料特性背后机制的主流解释。来自美国莱斯大学、橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）、加利福尼亚大学圣迭戈分校（University of California, San Diego）和佛罗里达州立大学（Florida State University）强磁场实验室（NHMFL）的物理学家利用中子散射实验发现了反铁磁性自旋涨落的信号——这种自旋涨落与二碲化铀的超导性密切相关。
长久以来，物理学家们从未在固体材料中观察到自旋三重态超导性。但他们怀疑，自旋三重态超导性能够在具有铁磁性的有序材料中产生。由于这类材料有潜力承载难以捉摸的准粒子——马约拉纳费米子（可用于制造无错误的量子计算机），近年来寻找自旋三重态材料的竞争持续升温。
“人们已经花费了数十亿美元来寻找它们。”莱斯大学的物理学教授、莱斯量子材料中心（Rice’s Center for Quantum Materials，RCMQ）和莱斯量子计划（Rice Quantum Initiative）的成员戴鹏程（Pengcheng Dai）说，马约拉纳费米子是一种有待证实的准粒子，可以用来建造拓扑量子比特，后者可免于现有量子计算机中量子位所受的退相干困扰。
“令人期待的是，自旋三重态超导体只要存在，就有用来制备拓扑量子比特的潜力。”戴鹏程说，“这是利用自旋单线态超导体无法做到的，这也是人们对自旋三重态超导体非常感兴趣的原因。”
当电子结成电子对（库珀对），像舞池中的一对舞伴一样作为一个整体移动时，就会表现出超导电性。电子天生会相互排斥，阻碍电子成对。但如果电子成对能令整个系统的能量比电子都处于自由状态时的能量更低（只有在极低温条件下这才是可能的），电子固有的趋于低能状态的特性就会克服彼此间的排斥作用，使电子结成电子对。
这种（使电子对能量更低的）诱导作用是以物理环境的涨落的形式发生的。在如铅这样的标准超导体中，这种涨落是超导线内铅原子晶格处的振动。然而物理学家尚未确定像二碲化铀这类材料中引起非常规超导性的涨落类型。不过数十年的研究已经发现，电子开始成对的临界点是相变——电子开始自发地重新排布的分水岭。
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在量子力学方程中，这些自发有序排列由序参数表示。自旋三重态指的是这些有序排列中三个对称性的自发破坏。比如，不停自旋的电子就像小的条形磁铁。序参数与它们的自旋指向（类似磁铁北极）有关，指向上或者下。铁磁序指的是所有的自旋指向相同的方向，而反铁磁序指的是它们交替着上、下排布。在这个被证实的自旋三重态（超流体氦-3）中，序参数的组成至少有18个。
“所有其它的超导性都是自旋单线态，”戴鹏程说，“在自旋单线态超导中，自旋要么向上、要么向下；如果对其施加磁场，超导性很容易就会被破坏。”这是因为磁场能促使自旋朝向同一个方向。磁场越强，这种效应越明显。
“但二碲化铀的超导性却很稳定，磁感应强度达到40T才会将其破坏。这是个问题，”戴鹏程说，“因为40T的磁感应强度是非常高的。四十年来，人们认为这样的超导性能够出现，唯一的可能是，在施加磁场之时，材料中的电子自旋已经全部指向同一个方向了，意味着这一材料是铁磁性的。”
“具有特定能量和动量的中子可以将库珀对中电子自旋由上-上态转变为上-下态。”戴鹏程说。“这个过程能告诉你库珀对是如何形成的。你可以通过中子自旋共振确定电子的成对能”，以及其他可以描述库珀对量子力学波函数特征的属性，他说。
戴鹏程称，这个结果有两种可能的解释：一是二碲化铀不属于自旋三重态超导体，二是自旋三重态超导性是以一种前所未知的方式产生于反铁磁性自旋涨落的。他说，几十年来，实验证据都指向后者，但这又与关于超导性的传统认知相违背。因此，戴鹏程与RCQM的主任、专门研究反常超导性等涌现量子现象的Qimiao Si（这项研究的共同作者之一）展开了合作。
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过去五年中，Qimiao Si大部分时间都在与他此前的博士生Emilian M. Nica一起进行研究，他们提出了一种多轨道配对理论，可以解释包括重费米子（如二碲化铀）在内的许多反常超导体与原有认知相悖的实验发现。
在多轨道配对理论中，处于某些原子壳层的电子会比其它电子更可能形成库珀对。Qimiao Si认为，铀的7个轨道中有14种可能量子态的成对电子，能够被贡献出来。
“我最先想到的一种可能就是多轨道（配对）。”他说，“如果只有一个能带或一个轨道（能参与配对），超导性是不可能出现的，但多轨道为非常规超导体配对提供了全新的可能性。它们就像调色板一样。不同的内量子数就像不同颜色的颜料。在基于铀的重费米子材料中，f层电子自然具有这些‘颜色’。它们带来了许多超出‘配对状态周期表’的可能性，自旋三重态配对就是新的可能性之一。”
Qimiao Si和现在任职于美国亚利桑那州立大学（Arizona State University）的 Nica 表示，反铁磁关联可以合理地为电子对创造出低能量的自旋三重态。
“自旋三重态配对在大部分情况下几乎不可能发生，这是由于为了使能量最低，电子对会形成自旋单线态。”Qimiao Si说，“在二碲化铀中，自旋-轨道耦合使量子态的能量发生了改变。这导致相较于自旋单线态，电子出现在自旋三重态配对状态的可能性更高。”
翻译：王鹏杰
审校：武大可
引进来源：Rice University
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