发现新粒子是物理学家们乐此不疲的寻宝游戏。有时候这样的猎奇活动是借助于巨大的加速器完成的，高能粒子束的磕碰能够发生新的粒子或许提醒新的物理规矩。关于研讨固体物理的科学家来说，这一游戏则是在彻底不同的环境中打开的，这儿没有高能的粒子碰击，可是固体材猜中深藏的多种杂乱的粒子间相互作用则能够涌现出类似于粒子的团体激起，又称作准粒子。有些准粒子更简单被勘探，而另一些则往往潜伏在科学家们探究的边境之外，然后难以捕捉。
近来，由Vidya Madhavan教授带领的美国伊利诺伊大学大学厄巴纳-香槟分校的研讨小组与美国国家标准与技能研讨院，马里兰大学，波士顿学院以及瑞士苏黎世联邦理工的科学家们展开了协作。使用Madhavan教授小组的高分辩扫描隧道显微镜（STM），他们得以一窥新式非惯例超导态UTe2中隐藏的玄机。他们的研讨也指明晰UTe2是既是寻觅已久的手性超导体，也是一种共同准粒子的天然载体，而物理学家们现已为此搜索了几十年。相关研讨成果现已宣布在三月26日出书的Nature杂志上。
非惯例超导体UTe2的外表，共同的Majorana费米子沿相反的台阶朝相反方向运动的示意图。供图 Dr. E. Edwards, Managing Director of IllinoisQuantum Information Science and Technology Center (IQUIST)
关于上面说的共同准粒子，即Majorana费米子，的探究，能够追溯到1937年意大利物理学家Ettore Majorana的理论作业。从那时起，物理学界就一直在寻觅Majorana费米子的踪影。上世纪末，人们发现一类特定的资料，即手性超导态是Majorana费米子的天然一种天然载体。而UTe2则很或许便是蕴藏这种共同准粒子的抱负资料。
“咱们已很熟悉惯例超导体是怎么传导电流或许传输电子而不发生任何损耗的机理，”Madhavan教授说。“非惯例的手性超导体则十分稀有，而且其物理内在也尚不明晰。无论是关于根底物理的研讨仍是量子核算的使用，了解这一类资料都显得十分重要。”
在一个惯例超导体中，自旋和动量相反的电子能够构成所谓的“库珀对”，库珀对在晶格傍边能够无损耗的运动，构成超导电流。超导电性的部分理论正是半个世纪前在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校被提出的，即BCS理论。根据这一理论及试验现实，惯例超导体中的库珀对必定会被满足强的外加磁场所“撕裂”，然后进入非超导态。与这一根本一致相反，上一年发现的UTe2超导体体现得不同寻常。
2019年，美国国家标准与技能研讨院的冉升博士和Nicholas Butch博士等人在Science杂志上报导了UTe2具有共同的超导电性。紧接着，他们又报导了UTe2即便在65特斯拉的强磁场下仍然保持着超导电性。要知道，这一磁场强度是一般电冰箱磁体的一万倍，而UTe2的超导改变温度又只要1.6开尔文。UTe2的这一失常行为以及近期发现的其他共同性质，让上述发现者们彻底有理由信任该材猜中的电子有着异乎寻常的配对方法，即自旋方向平行的电子配对。这种配对方法，即自选三重态配对，使得这种库珀对能够抵挡超强的磁场。假设状况事实，那么UTe2也有很大或许成为半世纪前就预言了的手性自选三重态超导体。这种超导体存在一种特别的拓扑外表态，这种外表态则是由寻觅已久的Majorana费米子构成的。Madhavan教授及其协作者的这篇新的论文就进一步必定了这一点。
在这篇作业中，上述团队使用了高分辩的扫描隧道显微镜搜索了Majorana费米子存在的痕迹。这一显微镜技能不光能够在原子标准丈量UTe2的外表晶格结构，还能够研讨外表电子态的密度及其改变。微观上，UTe2的解理外表非惯例则及平坦，可是也有或许会呈现天然的原子层间台阶。理论上，假如UTe2是手性超导体，那么即便没有外加电压，资料的鸿沟上也会激起出单向运动的自发电流。研讨者们细心丈量了UTe2鸿沟上的电子态，并在资料的超导能隙内观测到了一个非对称的峰，而且这个峰的方位只与台阶的法向相关。最风趣的是，在法向相反的台阶上，上述非对称的峰的能量相关于费米能级的方位也恰好相反。这一现象体现出来显着的手性对称特征。
“将不同台阶上的电子态密度谱放一同，你能够显着看到两组丈量信号是镜面对称的。而在一般超导体中，这是肯定不会呈现的，”Madhavna教授弥补道。“最合理的解说是，咱们的试验直接测到了沿台阶运动的Majorana费米子。”这一研讨团队以为，他们的丈量标明自在移动的Majorana费米子只能在资料外表单向循环运动，然后发生了镜像（或许说手性）的特征信号。
接下来，一个重要的后续作业是经过试验丈量确认资料在超导态存在时刻反演对称。该成果将为UTe2的手性超导特性供给进一步的依据。假如这些预言都能得以印证，那么UTe2将是He3超流体之外唯一被确认的具有手性自旋三重态配对的超导资料。Madhavan教授坦言，“这一严重的发现将为咱们了解这种稀有的超导性质供给一个共同关键，而且或许为Majorana费米子的控制，乃至将来的量子信息技能科学的使用拓荒新方向。”
该项作业由Vidya Madhavan教授，Nicholas Butch教授及焦琳博士规划并主导。王震宇博士（现在上任于中国科学技能大学）及博士生Sean Howard，Jorge Rodriguez参加了试验，冉升博士供给了研讨样品。汪自强教授（波士顿学院）与Manfred Sigrist教授（苏黎世联邦理工大学）供给了理论指导。
论文标题：”Chiral superconductivity in heavy-fermion metal UTe2”
修改：Quanta Yuan
