在橡樹嶺國家實驗室的實驗中，一個藝術家對中子撞擊超導二碲化鈾樣品的印象。鈾（深灰色）和碲（棕色）晶體被懷疑具有自旋三重態超導電性，這種狀態的特徵是電子對的自旋指向同一方向（藍色）。在中子散射實驗中，入射的中子透過反向翻轉一個自旋（紅色）來破壞對，揭示出了對的量子力學狀態的證據。圖片來源：吉爾·海曼/ORNL
賴斯大學領導的一項研究迫使物理學家重新思考鈾二碲化物的超導電性，二碲化鈾是世界範圍內製造容錯量子計算機的一流材料。
據信，鈾二碲化物晶體中含有一種罕見的自旋三重態超導性的形式，但令人費解的實驗本週公佈的結果在裡面自然顛覆了關於物質狀態可能在材料中出現。來自賴斯、橡樹嶺國家實驗室、加利福尼亞大學聖地亞哥分校和佛羅里達州立大學國家高磁場實驗室的物理學家進行的中子散射實驗揭示了反鐵磁自旋漲落的跡象，這種漲落與鈾二碲化物的超導電性有關。
自旋三重態超導電性在固態材料中還沒有被觀察到，但物理學家長期以來一直懷疑它是由鐵磁性的有序態產生的。近年來，尋找自旋三重態材料的競爭日益激烈，因為它們有可能擁有被稱為Majorana費米子的難以捉摸的準粒子，可以用來製造無誤差的量子計算機。
“人們花費了數十億美元試圖尋找它們，”賴斯研究報告的合著者戴鵬程在談到Majorana費米子時說，假想準粒子可以用來製造拓撲量子位元從困擾的問題退相干中解脫出來今天的量子計算機.
“如果你有一個自旋三重態超導體，它有可能被用來製造拓撲量子位元，”戴說，他是物理學和天文學教授，也是萊斯量子計劃的成員。“自旋單重態超導體是做不到這一點的。因此，人們對它非常感興趣。”
當電子成對並作為一個整體運動時，就會產生超導性，就像情侶在舞池中旋轉一樣。電子自然彼此厭惡，但它們迴避其他電子的傾向可以被它們對低能量存在的內在渴望所克服。如果配對能讓電子達到一種比它們自己更慢的狀態，那麼只有在極冷的溫度下才有可能實現這種狀態，那麼它們就可以被誘導成對。
誘騙是以其物理環境的波動形式出現的。在正常的超導體中，如鉛，漲落是超導導線內鉛原子晶格中的振動。物理學家們還沒有確定在像鈾二碲化物這樣的材料中引起非常規超導電性的波動。但是幾十年的研究已經發現了相位變化的分水嶺，電子在配對開始的臨界點自動重新排列。
在量子力學的方程中，這些自發有序排列被稱為序參量的項來表示。自旋三重態這個名字是指在這些有序排列中三種對稱性的自發破壞。例如，電子自旋不斷地，就像小磁鐵棒。一個序參量與它們的自旋軸（想想北極）有關，它指向上或向下。鐵磁序是指所有的自旋指向同一個方向，而反鐵磁序是指它們以上下、上下的排列方式交替。在僅確認自旋三重態，超流氦-3，order引數包含不少於18個元件。
“所有其他的超導電性都是自旋單線態，”戴說，他也是賴斯量子材料中心（RCQM）的成員。“在自旋單線態中，有一個自旋向上，一個自旋向下，如果加上磁場，很容易破壞超導性。”
那是因為磁場推動旋轉以沿同一方向對齊。場強越大，推力越大。
賴斯大學物理學家（左起）戴鵬程、段春若和司其妙共同撰寫了一份研究報告，揭示了鈾二碲化物的令人費解的結果，這種材料長期以來被懷疑擁有一種罕見的“自旋三重態”超導電性。作者：Jeff Fitlow/萊斯大學
“鈾二碲化物的問題是需要銷燬的欄位“超導電性是40特斯拉，”戴說那是巨大的。40年來，人們一直認為這種情況發生的唯一可能是，當你把一個磁場放在一起時，自旋已經朝一個方向排列，這意味著它是一個鐵磁體。"
在這項研究中，Dai和Rice的博士後研究助理Duan Chunruo Duan是該研究的主要作者，他與佛羅里達州合作者Ryan Baumbach合作，後者的實驗室培育了實驗中使用的鈾二碲化物的單晶樣品，加州大學聖地亞哥分校的合作者Brian Maple，他們的實驗室在橡樹嶺的散裂中子源上測試並準備了用於中子散射實驗的樣品。
當一對中子，以一個特殊的狀態，向上翻轉。他說：“它告訴你這對是如何形成的，從這個中子自旋共振中，我們基本上可以確定電子對的能量”，以及描述這對電子對的量子力學波函式的其他特徵。
戴相龍說，這一結果有兩種可能的解釋：要麼是鈾二碲化物不是自旋三重態超導體，要麼是自旋三重態超導性是由反鐵磁自旋漲落產生的，這是物理學家們之前沒有想到的。戴說幾十年了實驗證據 指向後者但這似乎違背了關於超導性的傳統觀點。因此，戴相龍與賴斯的同事齊苗思（qimiaosi）合作，後者是一位理論物理學家，專門研究非常規超導等量子現象。
Si是研究的合著者，在過去五年的大部分時間裡理論他和前博士共同開發了多軌道配對。學生艾米利安·尼卡解釋了矛盾的實驗結果在幾種非常規超導體中，包括重費米子，包括鈾二碲化物。
在多軌道配對中，一些原子殼層中的電子比其他原子更容易形成對。Si回憶起當時的想法，鈾有可能從七個軌道中的任何一個產生成對電子，有14種可能的狀態。
他說：“首先想到的是多軌道。“如果你只有一個帶或一個軌道，這是不可能的，但是軌道給可能的非傳統超導體配對帶來了一個新的維度。它們就像一個調色盤。顏色是內部的量子數，而鈾基重費米子材料中的f電子很自然地被設定成具有這些顏色。它們超越“配對狀態週期表”的新可能性這些新的可能性之一就是自旋三重態配對。"
Si和Nica現在就讀於亞利桑那州立大學，他們發現反鐵磁關聯可以產生看似合理的低能自旋三重態配對態。
“自旋三重態配對態在絕大多數情況下都是極不可能的，因為為了降低它們的能量，對會形成自旋單態。”。在鈾二碲化物中，自旋-軌道耦合可以改變能量格局，使自旋-三重態配對態與自旋-單重態對應態更具競爭力
Si是Rice物理和天文學系的Harry C.和Olga K.Wiess教授，RCQM主任。其他合著者還包括橡樹嶺的安德烈·波德萊斯尼亞克和加州大學聖地亞哥分校的鄧玉航、卡米拉·莫伊爾和亞歷山大·布萊德爾。
