康奈爾大學的研究人員在候選拓撲超導體中發現了一種新的物質狀態，這一發現可能會對凝聚態物理學以及量子計算和自旋電子學領域產生深遠影響。康奈爾大學宏觀量子物質小組的研究人員利用世界上最強大的毫開爾文約瑟夫森掃描隧穿顯微鏡（SJTM）之一，在一種新型、不尋常的超導體–二碲化鈾（UTe2） –中發現了一種結晶但超導的狀態，並將其可視化。

這種”自旋三重電子對晶體”是一種以前未知的拓撲量子物質狀態。這一發現最近發表在《自然》雜誌上。顧強強是在文理學院詹姆斯-吉爾伯特-懷特傑出榮譽教授、物理學家JC Séamus Davis實驗室工作的博士後研究員，他與科克大學學院的喬-卡羅爾和牛津大學的王樹秋共同領導了這項研究。

當配對電勢呈現奇奇偶性時，超導體就是拓撲超導體，這會導致每個電子對採用自旋三重態，兩個電子自旋的方向相同。顧強強介紹說，拓撲超導體是物理學家們熱衷研究的對象，因為從理論上講，它們可以構成超穩定量子計算機的材料平台。

然而，即使對拓撲超導進行了長達十年的深入研究，除了同樣在康奈爾大學發現的超流體3He之外，還沒有任何塊體材料被明確認定為自旋三奇偶超導體。最近，一種奇特的新材料–二碲化鈾（UTe2）成為這種分類的極有希望的候選者。然而，它的超導階參數仍然難以捉摸。

2021 年，理論物理學家開始提出，UTe2 實際上處於拓撲對密度波（PDW）狀態。此前從未探測到過這種形式的量子物質。簡單地說，拓撲對密度波就像超導體中的成對電子的靜態舞蹈，但這些成對電子在空間中形成周期性的晶體圖案。

“我們康奈爾大學的團隊在2016年利用我們為此發明的超導尖端掃描約瑟夫森隧穿顯微鏡發現了有史以來觀測到的第一個PDW，”顧說。”從那時起，我們開創了在毫開爾文溫度和微伏能量分辨率下的SJTM研究。在UTe2項目中，我們直接觀察到了超導配對勢在原子尺度上的空間調製，並發現它們的調製完全符合PDW狀態下電子對密度在空間週期性調製的預測。我們探測到的是一種新的量子物質態–由自旋-三重庫珀對組成的拓撲對密度波”。

庫珀對密度波是電子量子物質的一種形式，其中電子對凝固成超導PDW態，而不是形成傳統的”超導”流體，在這種流體中，所有電子對都處於相同的自由運動狀態。

顧強強說：”在自旋三重超導體中首次發現PDW 令人興奮。鈾基重費米子超導化合物是一類新穎奇特的材料，為實現拓撲超導提供了一個前景廣闊的平台。.. ….我們的科學發現還指出了這種有趣的量子態在s波、d波和p波超導體中無處不在的性質，並為在廣泛的材料中識別這種狀態提供了新的途徑。”