正在尋找一種非常規超導體的科學家們，已經提供了迄今為止最讓人信服的證據。在兩篇論文中，馬里蘭大學（UMD）量子材料中心（QMC）的研究人員及其同事表明——二碲化鈾（或簡稱UTe ₂）具有拓撲超導體的許多特徵，或有助於找到構建量子計算機和其它未來設備的新方法。

研究人員種出的新型拓補超導晶體（圖自：NIST）

據悉，超導體能夠毫無阻力地承載電流，常見的有核磁共振成像（MRI）和其它科學儀器中的大型超導線圈，但它不大可能在未來幾十年內走入尋常百姓家。

自2000 年代初期以來，科學家們一直在尋找一種特殊的超導體，其依賴於實際承載其電流的亞原子粒子的複雜編排。

近日，UMD 物理學教授、兼QMC 主任、以及其中一篇論文的資深作者Johnpierre Paglione 表示：

“大自然可能是邪惡的，但我們看到這些古怪的東西，可能還有其它的原因。老實說，在我的職業生涯中，我們從未見過這樣的事情”。

研究配圖- 1：UTe ₂單晶的微波表面阻抗

馬里蘭大學量子材料中心的研究人員，剛剛介紹了其培育出的一種很有前途的拓撲超導晶體。所謂拓補，意味這些形狀能夠通過推拉輕輕地相互轉換。

舉個例子，一個麵團球能夠做成一條麵包或一個披薩餅。但若不在中間戳個洞，你就無法將之做成甜甜圈。但從拓補學上來講，麵包與餡餅是一類，而甜甜圈又是另一類。

在拓補超導體中，電子圍繞著彼此跳舞，同時繞著類似於甜甜圈中心的洞而運轉。遺憾的是，此前一直缺乏好的方法，來切開超導體並放大觀察這種電子舞步。

目前判斷電子是否在抽象的甜甜圈上晃動的最佳方法，就是觀察材料在實驗中的表現。好消息是，新研究論文表明，UTe ₂看起來很像是具有此前從未被證明的拓補結構。

研究配圖- 2：UTe ₂異常殘餘電導率與其它超導體的對比

Paglione團隊與斯坦福大學Aharon Kapitulnik小組的合作發現，UTe ₂中同時存在不止一種、而是兩種超導體。

根據這一結果，以及光從材料反彈時的改變方式（撇開先前發表的實驗證據），研究人員得以將具有拓補結構的超導類型縮小到兩種。

感興趣的朋友，可翻閱2021年7月15日發表於《科學》（Science）雜誌上的這篇文章，原標題為《Anomalous normal fluid response in a chiral superconductor UTe ₂》。

而在另一項研究中，由UMD 物理學教授、兼QMC 成員Steven Anlage 帶領的一支研究團隊，又揭示了相同材料的表面異常行為，且與長期受追捧的拓撲保護馬約拉納模式現象一致。

所謂馬約拉納模式（Majorana Modes），特指行為表現得像是半個電子的奇異粒子，科學家們預計它會出現在拓撲超導體的表面。

研究配圖- 3：來自超流體密度的軸向三重配對狀態的證據

這項發現讓科學家們感到十分激動，因其有望為構建強大的量子計算機而奠定基礎。感興趣的朋友，可翻閱2021 年5 月21 日的《自然通訊》（Nature Communications）期刊。

Anlage 及其團隊在報告中指出，超導體只會在特定溫度以下，才會表現出特殊的性質，就像水只會在零攝氏度以下結冰一樣。

在普通超導體中，電子配對成了雙人的康加舞線，並通過金屬相互跟隨。但在一些罕見的情況下，電子偶會圍繞彼此，跳上更類似於華爾茲的圓形舞蹈。

如果從拓補學的角度來解釋，這種情況也更加特殊—— 電子圓舞中有一個“颱風眼”。一旦電子以這種方式配對，漩渦就難以擺脫，這也是拓補超導體相較於普通舞步的不同之處。

其實早在2018年，該團隊就與UMD物理學兼職副教授、美國國家標準與技術研究院（NIST）物理學家Nicholas Butch的團隊合作，意外發現了UTe ₂這種超導體。

值得一提的是，它似乎不受大磁場的影響（通常會因分裂電子舞蹈而破壞其超導性），這也是UTe ₂中的電子對，較平時更緊密地相互結合的首個線索。

據推測，這可能是因為它們的配對舞步是呈現圓形的，然後這個設想引發了許多其他人對該領域研究的濃厚興趣。

Anlage補充道：“這有點像是一個完美的風暴超導體，結合了許多此前從未見過的特點”。

此外在新論文中，Paglione與合作者報告了兩個新的測量結果，並揭示了UTe ₂的內部結構。

UMD 團隊測量了材料的比熱，即將材料加熱1 ℃ 所需的能量。然後研究人員測量了不同起始溫度下的比熱，並觀察溫度隨超導特性的變化。

通常情況下，能級會在材料向超導狀態轉變時有很大的跳躍。但我們實際上有看到兩次跳躍。

所以這是UTe ₂具有兩個超導躍遷的證據、而不僅僅是一個，這種特性是非同尋常的。

SCI Tech Daily指出，兩次跳躍表明UTe ₂中的電子，可以配對成執行兩種不同的舞蹈模式中的任何一種。

在第二次測量過程中，斯坦福團隊將激光照射到一塊UTe ₂樣品上，並註意到反射回來的光有點扭曲。

在發射上下擺動的光源時，反射光主要是上下擺動的、但也帶有一點左右特徵，意味著超導體內部的某些東西帶來了光的扭曲、且在輸出時未能解除其封印。

然後斯坦福大學的Kapitulnik團隊還發現，磁場可以迫使UTe ₂以一種或另一種方式扭曲光。

若在樣品變成超導狀態時施加一個朝上的磁場，則發出的光就會向左傾斜。如果將磁場指向下方，則光線就會向右傾斜。

研究人員指出，這意味著在樣品內部舞蹈的電子，晶體的上下方向有一些特殊之處。

為弄清楚這一切對超導體中的電子有何意義，研究人員得到了威斯康星大學密爾沃基分校的理論家兼物理學教授、《科學》論文合著者Daniel F. Agterberg 的幫助。

理論指出，鈾和碲原子在UTe ₂晶體內的排列方式，允許電子偶爾以八種不同的舞蹈來配置組隊。

由於比熱測量顯示兩種舞蹈在同時進行，因此Agterberg 例舉了將這八種舞蹈組合在一起的所有不同方式。

此外反射光的扭曲特性、以及磁場沿上下軸的矯頑力，又將可能性減少到四種。

先前的結果表明，UTe ₂的超導性，在大磁場下的穩健性，進一步將其限制在了其中兩種電子舞蹈模式。

這兩種電子配對舞蹈，都形成了一個漩渦、並表明了一種暴風雨般的拓撲舞蹈。

有趣的是，考慮到我們在實驗中看到的情況的限制，目前最佳的理論，就表明其UTe ₂的超導狀態是具有拓補特徵的。