比沙粒還小的晶體打破物理規則，在70特斯拉磁場下重現超導性

其超導態僅在極其特定的磁場方向下出現。

奧地利科學家終于揭開了為什么一種奇特的鈾基超導體在強大磁場下會“死而復生”、看似違背傳統物理規律的原因。這種名為二碲化鈾（UTe?）的材料是一種非常規的重費米子超導體，被普遍認為是自旋三重態超導體。自 2019 年被偶然發現以來，它一直困擾著物理學家。

原因在于它與大多數超導體相比表現出的反常行為。大多數超導體在極低溫度下允許電流零電阻流動，但在多數情況下，強磁場會破壞超導態。然而，UTe?首先在大約 10 特斯拉（比大多數磁共振成像儀使用的磁場強三倍多）的磁場下失去超導態，隨后卻在 40 至 70 特斯拉的更強磁場下神秘地重新獲得零電阻。1 特斯拉的磁場就足以在廢車場中舉起一輛汽車。

挑戰量子物理

位于奧地利克洛斯特新堡鎮的科學技術研究所的科學家對 UTe? 材料進行了廣泛研究。他們表示，可能終于理解了導致這種所謂“再入超導”現象的原因。該研究所助理教授 Kimberly Modic 博士指出，研究人員長期以來一直認為磁性在非常規超導中扮演著重要角色。“但問題在于 UTe? 并不具有磁性，”她說道。“所以乍一看，并不清楚這種材料為何會展現出如此特殊的超導態。”

為了理解 UTe? 中這種不尋常的超導性是如何產生的，科學家們在極端磁場下再入超導出現之前對材料進行了研究。他們利用脈沖磁場設施，將樣品暴露在十分之一秒內達到 60 特斯拉的快速磁脈沖中。該研究的第一作者、博士生 Valeska Zambra 表示，團隊旨在確定材料內部的磁漲落是否能解釋高場超導現象。他們開發了一種方法，通過在極端磁場下進行受控的機械“擺動”來探測樣品。

實踐中的方法

Zambra 說，他們將樣品放置在一個類似懸臂的桿上，以便在磁場中操控和振動它。“從晶體的角度來看，這種振動使得磁場方向似乎在隨時間振蕩，從而可以在變化的磁場下快速檢查磁化強度。”這種方法使研究人員能夠在以前無法達到的條件下測量橫向磁化率。正是通過這種方式，他們發現了 UTe? 中存在一個強橫向磁化率區域，該區域起到了粘合電子的“膠水”作用，這有助于解釋高場超導性。

研究人員表示，這項工作不僅對理解 UTe? 本身很重要，而且為研究奇異的量子材料開辟了新途徑。他們使用比鹽粒還小的樣品，成功測量了幾乎無缺陷的 UTe? 碎片。他們還開發了制造并將這些微小樣品精確集成到實驗中的技術。“測量大小約等于人類頭發絲粗細的微小樣品尤其具有挑戰性，但這正是我們團隊所擅長的，”Modic 強調道。

多個高場實驗室已經聯系該研究團隊，希望采用這種新的測量技術進行自己的實驗。Modic 指出，UTe? 可能展現出一種以前未知的超導類型。“盡管存在其他非常規超導體，但 UTe? 讓‘非常規’這個詞幾乎顯得輕描淡寫，”她在新聞稿中總結道。

該研究已發表在《自然·通訊》雜志上。

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