超导突破：科学家发现量子物质的新状态

2023年08月29日 17:22 97 次阅读 稿源：cnBeta.COM

康奈尔大学的研究人员在候选拓扑超导体中发现了一种新的物质状态，这一发现可能会对凝聚态物理学以及量子计算和自旋电子学领域产生深远影响。康奈尔大学宏观量子物质小组的研究人员利用世界上最强大的毫开尔文约瑟夫森扫描隧穿显微镜（SJTM）之一，在一种新型、不寻常的超导体--二碲化铀（UTe2）--中发现了一种结晶但超导的状态，并将其可视化。

这种"自旋三重电子对晶体"是一种以前未知的拓扑量子物质状态。这一发现最近发表在《自然》杂志上。顾强强是在文理学院詹姆斯-吉尔伯特-怀特杰出荣誉教授、物理学家J.C. Séamus Davis实验室工作的博士后研究员，他与科克大学学院的乔-卡罗尔和牛津大学的王树秋共同领导了这项研究。

当配对电势呈现奇奇偶性时，超导体就是拓扑超导体，这会导致每个电子对采用自旋三重态，两个电子自旋的方向相同。顾强强介绍说，拓扑超导体是物理学家们热衷研究的对象，因为从理论上讲，它们可以构成超稳定量子计算机的材料平台。

然而，即使对拓扑超导进行了长达十年的深入研究，除了同样在康奈尔大学发现的超流体3He之外，还没有任何块体材料被明确认定为自旋三奇偶超导体。最近，一种奇特的新材料--二碲化铀（UTe2）成为这种分类的极有希望的候选者。然而，它的超导阶参数仍然难以捉摸。

2021 年，理论物理学家开始提出，UTe2 实际上处于拓扑对密度波（PDW）状态。此前从未探测到过这种形式的量子物质。简单地说，拓扑对密度波就像超导体中的成对电子的静态舞蹈，但这些成对电子在空间中形成周期性的晶体图案。

"我们康奈尔大学的团队在2016年利用我们为此发明的超导尖端扫描约瑟夫森隧穿显微镜发现了有史以来观测到的第一个PDW，"顾说。"从那时起，我们开创了在毫开尔文温度和微伏能量分辨率下的SJTM研究。在UTe2项目中，我们直接观察到了超导配对势在原子尺度上的空间调制，并发现它们的调制完全符合PDW状态下电子对密度在空间周期性调制的预测。我们探测到的是一种新的量子物质态--由自旋-三重库珀对组成的拓扑对密度波"。

库珀对密度波是电子量子物质的一种形式，其中电子对凝固成超导PDW态，而不是形成传统的"超导"流体，在这种流体中，所有电子对都处于相同的自由运动状态。

顾强强说："在自旋三重超导体中首次发现 PDW 令人兴奋。铀基重费米子超导化合物是一类新颖奇特的材料，为实现拓扑超导提供了一个前景广阔的平台。......我们的科学发现还指出了这种有趣的量子态在s波、d波和p波超导体中无处不在的性质，并为在广泛的材料中识别这种状态提供了新的途径。"

拓扑超导态是物质的一种新状态，有别于传统的超导体，拓扑超导体的表面存在厚度约1纳米的受拓扑保护的无能隙的金属态，内部则是超导体。如果把一个拓扑超导体一分为二，新的表面又自然出现一层厚度约1纳米的受拓扑保护的金属态。这种奇特的拓扑性质使得拓扑超导体被认为是永远不会出错的量子计算机的理想材料。

马约拉纳费米子（Majorana Fermion）是存在一种叫做拓扑超导的材料里面。超导体就是所有自然界的材料，它们有导电的，有不导电的，导电的叫导体，不导电的叫绝缘体。超导体电阻为0，它比一般的导体要好，就是在导电过程中没有电阻，这叫超导体。

而拓扑超导体是拓扑绝缘体发现以后，人们发现的另外一种物质的状态，这是一种新型的超导体。但实际上自然界中我们发现了成千上万中超导体，没有一种是拓扑超导体。拓扑超导体在自然界中存不存在，这就是一个很大的问题。

有一个理论预言，如果把拓扑绝缘体和超导体放在一起，他们俩就可以再组合成拓扑超导体。如果我们把拓扑绝缘体和超导体组合在一起，通过一种巧妙的方式把它组合起来，组合出这种拓扑超导体。

 

 

超导突破：科学家发现量子物质的新状态
ugmbbc 的报道 •
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康奈尔大学的研究人员在候选拓扑超导体中发现了一种新的物质状态，这一发现可能会对凝聚态物理学以及量子计算和自旋电子学领域产生深远影响。康奈尔大学宏观量子物质小组的研究人员利用世界上最强大的毫开尔文约瑟夫森扫描隧穿显微镜（SJTM）之一，在一种新型、不寻常的超导体--二碲化铀（UTe2）--中发现了一种结晶但超导的状态，并将其可视化。

这种"自旋三重电子对晶体"是一种以前未知的拓扑量子物质状态。这一发现最近发表在《自然》杂志上。顾强强是在文理学院詹姆斯-吉尔伯特-怀特杰出荣誉教授、物理学家J.C. Séamus Davis实验室工作的博士后研究员，他与科克大学学院的乔-卡罗尔和牛津大学的王树秋共同领导了这项研究。

当配对电势呈现奇奇偶性时，超导体就是拓扑超导体，这会导致每个电子对采用自旋三重态，两个电子自旋的方向相同。顾强强介绍说，拓扑超导体是物理学家们热衷研究的对象，因为从理论上讲，它们可以构成超稳定量子计算机的材料平台。

然而，即使对拓扑超导进行了长达十年的深入研究，除了同样在康奈尔大学发现的超流体3He之外，还没有任何块体材料被明确认定为自旋三奇偶超导体。最近，一种奇特的新材料--二碲化铀（UTe2）成为这种分类的极有希望的候选者。然而，它的超导阶参数仍然难以捉摸。

2021 年，理论物理学家开始提出，UTe2 实际上处于拓扑对密度波（PDW）状态。此前从未探测到过这种形式的量子物质。简单地说，拓扑对密度波就像超导体中的成对电子的静态舞蹈，但这些成对电子在空间中形成周期性的晶体图案。

"我们康奈尔大学的团队在2016年利用我们为此发明的超导尖端扫描约瑟夫森隧穿显微镜发现了有史以来观测到的第一个PDW，"顾说。"从那时起，我们开创了在毫开尔文温度和微伏能量分辨率下的SJTM研究。在UTe2项目中，我们直接观察到了超导配对势在原子尺度上的空间调制，并发现它们的调制完全符合PDW状态下电子对密度在空间周期性调制的预测。我们探测到的是一种新的量子物质态--由自旋-三重库珀对组成的拓扑对密度波"。

库珀对密度波是电子量子物质的一种形式，其中电子对凝固成超导PDW态，而不是形成传统的"超导"流体，在这种流体中，所有电子对都处于相同的自由运动状态。

顾强强说："在自旋三重超导体中首次发现 PDW 令人兴奋。铀基重费米子超导化合物是一类新颖奇特的材料，为实现拓扑超导提供了一个前景广阔的平台。......我们的科学发现还指出了这种有趣的量子态在s波、d波和p波超导体中无处不在的性质，并为在广泛的材料中识别这种状态提供了新的途径。"

PDW是pair density wave的缩写，是一种密度波状态。在高温超导体中，PDW是一种可能的竞争性序参量，它与超导序参量竞争，可能会导致赝能隙的出现. PDW是一种拓扑序，它的出现与拓扑不变量的变化有关。

从电子能谱角度来看提出PDW的动机

PDW的提出与ARPES在Bi2201体系观察到的赝能隙打开后能谱上的back bending动量与潜在费米动量的不同这个现象有关。这种动量差异最早被当成是赝能隙的形成机制破坏了粒子-空穴对称性的证据（从而表明赝能隙来自于与超导配对竞争的粒子-空穴沟道里的物理过程）。但是按照粒子-空穴沟道的能隙打开机制，原来处于费米面两侧的 (?,0)(pi,0) 和 (?,?)(pi,pi)这两个动量不可能在费米面不缩减为零的前提下跑到费米面的同一侧。而这种费米面的缩减实验上并没有看到。因此，电子配对（从而导致粒子和空穴的混合）在赝能隙形成过程中是必不可少的。但是动量为零的电子配对将会导致back bending动量与潜在费米动量的重合。有限动量的PDW就是在这个背景下提出的。

超导里，费米面附近的电子配对形成库伯对。对于两个电子形成的系统，我们要求整体波函数是全反对称的。电子的波函数包含空间波函数和自旋波函数。如果不考虑自旋轨道耦合，这两部分波函数可以直积分开，此时自旋也是个好量子数。对于两个自旋组成的系统，可以形成反对称的自旋单态和对称的自旋三态。由于整体的波函数对称性是空间波函数对称性乘上自旋波函数的对称性，所以自旋单态要求空间波函数是对称的，自旋三态要求空间波函数是反对称的。对于两个电子的系统，我们可以取一个电子为静止的坐标系，看另一个电子的运动。对于具有旋转对称性（其实应该考虑晶格对称性）的系统，空间波函数可以根据体系的角动量来分类，其中具有偶数角动量的空间波函数是对称的，对于具奇数角动量的空间波函数是反对称的。类比氢原子能级，角动量为0/2的波函数称为s/d波，角动量为1/3的波函数称为p/f波。

传统的BCS超导体，自旋波函数是反对称的自旋单态，空间波函数是对称的角动量为0的态（各向同性），称为s波超导体。