让电毫无损失地流过电网，在超导体中，发现难以捉摸的粒子证据！

刘冠华

粒子追逐这是很多物理学家都在玩的游戏，有时，搜寻工作在大型对撞机内进行，在那里，需要壮观的高能碰撞来发现新粒子和新物理学。对于研究固体的物理学家来说，这场游戏发生在一个非常不同的环境中，而这些受追捧的粒子，并不是来自激烈的碰撞。取而代之的是，类粒子实体，称为准粒子，从发生在材料深处的复杂电子相互作用中出现。


有时准粒子很容易探测，但其他粒子则更难发现，它们就潜伏在触手可及的地方。新的测量表明，在非传统超导体二碲化铀的表面，存在奇异的马约拉纳粒子。现在，由物理学家Vidya Madhavan领导的伊利诺伊大学一组研究人员与来自国家标准与技术研究所、马里兰大学、波士顿学院和苏黎世理工大学的研究人员合作，使用高分辨率显微镜工具观察了一种不寻常类型的超导体-二碲化铀(UTe2)内部工作原理。


研究测量揭示了强有力的证据，表明这种材料可能是一种奇异准粒子的天然家园，这种粒子几十年来一直隐藏在物理学家面前，其研究成果发表在《自然》期刊上。早在1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)就对这些粒子进行了理论推导，从那时起，物理学家就一直在试图证明它们是可以存在的。科学家们认为，一类特殊被称为手性非传统超导体的材料可能天然地拥有马约拉纳粒子。


超导体-二碲化铀可能具有产生这些难以捉摸的准粒子的所有正确性质。科学家现在知道传统超导体的物理原理，并了解它们如何在没有电阻的情况下，将电流或电子从导线的一端传输到另一端。手性非传统超导体要罕见得多，其物理知识也不那么为人所知。了解它们对基础物理很重要，在量子计算中有潜在的应用。在正常超导体内部，电子以一种方式配对，从而实现让电毫无损失地流过电网。这与普通导体(如铜线)不同，铜线在电流通过时会升温。


超导性背后的部分理论是几十年前由伊利诺伊大学三名科学家提出，他们的研究工作获得了诺贝尔物理学奖。对于这种传统的超导性，磁场是敌人，它会破坏两个对，使材料恢复正常。在过去的一年里，研究人员表明，二碲化铀的行为有所不同。此前的研究表明：超导体-二碲化铀(UTe2)在磁场高达65特斯拉的情况下依旧保持超导，这大约是冰箱磁铁的1万倍。这一非常规的行为，结合其测量结果，研究人员推测，电子以一种不寻常的方式配对，使它们能够抵抗分离。


配对很重要，因为具有这种性质的超导体表面很可能有马约拉纳粒子。研究小组使用了一种名为扫描隧道显微镜的高分辨率显微镜，寻找不寻常的电子配对和马约拉纳粒子的证据。这台显微镜不仅可以绘制出原子级别的铀碲化物表面图，还可以探测电子的情况。材料本身是银色的，台阶从表面突出。这些阶梯特征是马约拉纳类粒子证据最明显的地方。它们提供了一个干净的边缘，如果预测是正确的，即使没有施加电压：


它们也应该显示出朝一个方向移动的连续电流特征。研究小组扫描了台阶的两侧，发现了一个带有峰值的信号。但峰值是不同的，这取决于扫描的是台阶的哪一边。看着台阶的两边，你会看到一个信号是彼此的镜像，在正常的超导体中，找不到这一点。看到镜面图像的最好解释是，研究正在直接测量运动中马约拉纳粒子的存在。测量结果表明，自由运动的马约拉纳准粒子在一个方向上一起循环，产生镜像信号或手性信号。


研究的下一步是进行测量，以确认该材料已经打破了时间反转对称性。这意味着如果时间箭头理论上颠倒了，粒子的运动应该会有所不同，这样的研究将为超导体-二碲化铀(UTe2)的手性性质提供额外证据。如果得到证实，二碲化铀将是除He-3超流体外唯一被证实为手性非常规超导体的材料。这是一个巨大的发现，将使科学家能够理解这种罕见的超导特性，也许假以时日，甚至可以以一种对量子信息科学有用的方式操纵马约拉纳准粒子。


博科园｜研究/来自：伊利诺伊大学厄本那-香槟分校
参考期刊《自然》
博科园｜科学、科技、科研、科普
关注【博科园】看更多大美宇宙科学