伊利诺伊大学香槟分校艾米丽·爱德华兹 新的测量显示，非常规超导体铀二碲镉汞表面存在外来的马略拉粒子
学分:博士
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爱德华兹，伊利诺伊量子信息科学与技术中心总经理
粒子追逐——这是许多物理学家都在玩的游戏
有时搜寻发生在大型超级对撞机中，在那里壮观的碰撞是发现隐藏粒子和新物理所必需的
对于研究固体的物理学家来说，这个游戏发生在一个非常不同的环境中，而受欢迎的粒子并不是来自激烈的碰撞
取而代之的是，被称为准粒子的类粒子实体，是由发生在物质内部深处的复杂电子相互作用产生的
有时准粒子很容易探测，但其他的更难发现，潜伏在遥不可及的地方
新的测量显示，非常规超导体铀二碲镉汞表面存在外来的马略拉粒子
博士提供的图片
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爱德华兹，伊利诺伊量子信息科学与技术中心总经理
现在，由物理学家维迪亚·马德哈万领导的伊利诺斯大学的一组研究人员，与美国国家标准与技术研究所、马里兰大学、波斯顿学院和苏黎世联邦理工学院的研究人员合作，使用高分辨率显微镜工具来观察一种不寻常的超导体铀二碲化物(UTe2)的内部工作
他们的测量揭示了强有力的证据，表明这种物质可能是一种外来准粒子的天然家园，这种粒子几十年来一直瞒着物理学家
这项研究发表在3月26日的《自然》杂志上
1937年，一位名叫埃托雷·马约拉纳的意大利物理学家将这些有问题的粒子理论化，从那以后，物理学家一直试图证明它们可以存在
科学家们认为，一种叫做手性非常规超导体的特殊材料可能会自然地成为马略拉纳斯的宿主
UTe2可能具有产生这些难以捉摸的准粒子的所有正确属性
马德哈万说:“我们知道传统超导体的物理特性，也知道它们如何在没有电阻的情况下导电或将电子从导线的一端传输到另一端。”
“手性非常规超导体要少得多，物理学也不太为人所知
理解它们对于基础物理很重要，并且在量子计算中有潜在的应用，”她说
在正常的超导体内部，电子以一种能够产生无损、持久电流的方式配对
这与普通导体形成对比，比如铜线，电流通过时会发热
超导背后的部分理论是几十年前由麻省理工学院的三位科学家提出的，他们的工作获得了诺贝尔物理学奖
对于这种传统的超导性，磁场是敌人，它会分裂成对，使材料恢复正常
在过去的一年里，研究人员表明铀二碲酸盐的行为不同
2019年，盛然、尼古拉斯·布奇(两人都是这项研究的合著者)和他们的合作者宣布，UTe2在高达65特斯拉的磁场中保持超导状态，这比冰箱磁铁强约10000倍。
这种非传统的行为，结合其他测量方法，使该论文的作者推测，电子以一种不寻常的方式配对，使它们能够抵抗分裂
这种配对很重要，因为具有这种性质的超导体表面很可能有马略拉那粒子
马德哈万及其合作者的新研究加强了这一点
该小组使用一种叫做扫描隧道显微镜的高分辨率显微镜来寻找异常电子配对和Majorana粒子的证据
这台显微镜不仅能描绘出铀元素的表面，一直到原子的水平，还能探测电子发生了什么
这种材料本身是银色的，表面有突起的台阶
这些台阶特征是马略拉那准粒子证据最明显的地方
它们提供了一个清晰的边缘，如果预测是正确的，那么即使没有施加电压，也应该显示出一个向一个方向运动的连续电流的特征
该小组扫描了台阶的相对两侧，看到了一个带有峰值的信号
但是峰值是不同的，取决于扫描的是台阶的哪一侧
“看着台阶的两边，你会看到一个信号，是彼此的镜像
在正常的超导体中，你找不到这一点，”马德哈万说
马德哈万说:“看到镜像的最好解释是，我们直接测量了移动的马约拉纳粒子的存在。”
该小组表示，测量表明自由运动的马约纳准粒子在一个方向上一起循环，产生镜像或手性信号
马德哈万说，下一步是进行测量，确认这种材料打破了时间反转对称性
这意味着，如果时间的箭头在理论上是相反的，那么粒子的运动应该是不同的
这样的研究将为UTe2的手性性质提供额外的证据
如果得到证实，除超流氦-3外，铀二碲将是唯一一种被证明是手性非常规超导体的材料
“这是一个巨大的发现，它将使我们能够理解这种罕见的超导性，也许，随着时间的推移，我们甚至可以用一种对量子信息科学有用的方式来操纵马约拉纳准粒子
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