由莱斯大学制作
在橡树岭国家实验室的实验中，一个艺术家的印象是一个中子撞击了一个超导铀二辉样品
铀(深灰色)和碲(棕色)的晶体被怀疑具有自旋三重态超导性，这种状态由自旋指向同一方向的电子对标记(蓝色)
在中子散射实验中，进入的中子通过向相反方向翻转一个自旋(红色)来破坏对，揭示了对的量子力学状态的证据
信用:吉尔·海曼/ORNL 莱斯大学领导的一项研究迫使物理学家重新思考铀二碲化物中的超导性，铀二碲化物是世界范围内制造容错量子计算机竞赛中的一流材料
铀二碲酸盐晶体被认为拥有一种罕见的“自旋三重态”超导形式，但本周发表在《自然》杂志上的令人困惑的实验结果颠覆了物质状态如何在材料中产生的主要解释
莱斯、橡树岭国家实验室、加州大学圣地亚哥分校和佛罗里达州立大学国家强磁场实验室的物理学家进行的中子散射实验揭示了反铁磁自旋波动的迹象，这种波动与铀二辉中的超导性有关
在固态材料中尚未观察到自旋三重态超导性，但物理学家长期以来一直怀疑它来自于铁磁性的有序状态
近年来，寻找自旋三重态材料的竞赛愈演愈烈，因为它们有潜力容纳被称为马略拉纳费米子的难以捉摸的准粒子，这些粒子可以用来制造无误差的量子计算机
“人们已经花费了数十亿美元试图寻找它们，”莱斯研究的合著者戴鹏程在谈到Majorana费米子时说，这是一种假想的准粒子，可以用来使拓扑量子比特摆脱困扰当今量子计算机中量子比特的有问题的退相干
“有希望的是，如果你有一个自旋三重态超导体，它有可能被用来制造拓扑量子比特，”物理学和天文学教授、莱斯量子倡议成员戴说
“你不能用自旋单线态超导体做到这一点
所以，这就是为什么人们对此非常感兴趣
" 当电子成双成对地移动时，超导就发生了，就像情侣在舞池中旋转一样
电子天生厌恶对方，但是他们避开其他电子的倾向可以被他们对低能存在的内在渴望所克服
如果配对能让电子达到比它们自己更懒惰的状态——这只有在极冷的温度下才有可能——它们就能被诱导成对
哄骗的形式是他们的物理环境的波动
在普通超导体中，像铅一样，波动是超导导线内铅原子晶格的振动
物理学家们还没有确定导致铀二碲化物等材料非常规超导性的波动
但是几十年的研究已经发现，在配对开始的临界点，相变——电子自发重新排列的分水岭时刻
在量子力学的方程中，这些自发的有序排列由称为有序参数的项来表示
自旋三重态这个名称指的是在这些有序排列中三种对称的自发破裂
例如，电子不停地旋转，就像微小的条形磁铁
一个有序参数与它们的自旋轴(想想北极)有关，它指向上或下
铁磁序是指所有自旋指向同一个方向，反铁磁序是指它们上下交替排列
在唯一确认的自旋三重态超流氦-3中，有序参数有不少于18个分量
“所有其他超导性都是自旋单线态的，”戴说，他也是赖斯量子材料中心(RCQM)的成员
“在自旋单线态中，你有一个自旋向上和一个自旋向下，如果你施加一个磁场，它很容易破坏超导性
" 这是因为磁场推动自旋向同一个方向排列
场地越强，推进力越强
莱斯大学物理学家(左起)戴鹏程、段春若和司启苗共同撰写了一项研究，揭示了铀二碲化物的令人困惑的结果，这种材料长期以来被怀疑拥有一种罕见的超导“自旋三重态”
学分:杰夫·菲特洛/莱斯大学 戴说:“铀二碲镉汞的问题是破坏超导性所需的磁场为40特斯拉。”
“那是巨大的
40年来，人们认为发生这种情况的唯一可能性是，当你把一个场放在上面时，自旋已经向一个方向排列，这意味着它是一个铁磁体
" 在这项研究中，戴和莱斯的博士后研究助理段春若(该研究的主要作者)与佛罗里达州立大学的合著者瑞安·鲍姆巴赫(Ryan Baumbach)和加州大学圣地亚哥分校的合著者布莱恩·马普(Brian Maple)合作，前者的实验室培育了实验中使用的铀二辉的单晶样品，后者的实验室测试并准备了样品，用于橡树岭散裂中子源的中子散射实验
戴说:“中子的作用是带着特定的能量和动量进入，它可以把库珀对的自旋从上升状态翻转到下降状态。”
“它告诉你配对是如何形成的
他说，从这种中子自旋共振，人们可以基本上确定电子配对能量”和描述这对电子的量子力学波函数的其他指示性质
戴说，这一结果有两种可能的解释:要么铀二碲化物不是自旋三重态超导体，要么自旋三重态超导性是由反铁磁自旋涨落引起的，其方式是物理学家以前从未想象过的
戴说，几十年的实验证据指向后者，但这似乎违背了关于超导性的传统智慧
因此，戴与莱斯的同事奇妙思合作，奇妙思是一位理论物理学家，专门研究非常规超导等突发性量子现象
该研究的合著者斯在过去五年的大部分时间里都在展示他与前博士共同开发的多轨道配对理论
D
学生艾米利亚·尼卡解释了几种非常规超导体中相互矛盾的实验结果，包括重费米子，这类超导体包括铀二碲化物
在多轨道配对中，一些原子壳层中的电子比其他电子更有可能形成对
Si回忆说，他认为铀有潜力贡献来自七个轨道中任何一个的成对电子，有14种可能的状态
“多轨道是我想到的第一件事，”他说
“如果你只有一个能带或一个轨道，这是不可能的，但是轨道给可能的非常规超导体配对带来了一个新的维度
它们就像一个调色板
颜色是内部的量子数，铀基重费米子材料中的f电子自然会有这些颜色
它们带来了超越配对状态周期表的新可能性
这些新的可能性之一是自旋三重配对
" 现就职于亚利桑那州立大学的斯和尼卡表明，反铁磁关联可能会产生貌似合理的低能自旋三重配对态
“自旋-三重态配对状态在绝大多数情况下是极不可能的，因为为了降低它们的能量，对会形成自旋-单重态，”Si说
“在铀双螺旋中，自旋轨道耦合可以改变能量格局，使自旋-三重态配对态与其自旋-单重态配对态更具竞争力
" 斯是哈利·C
奥尔加·K
莱斯大学物理和天文学系威斯教授兼皇家质量管理中心主任
其他合著者包括橡树岭大学的安德烈·波德莱斯尼亚克和余杭·邓，加州大学圣地亚哥分校的卡米拉·莫尔和亚历山大·布林德尔
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