实验发现重费米子金属UTe2为手性自旋三重态超导体

来源：中科院物理所

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实现的，高能粒子束的碰撞可以产生新的粒子或者揭示新的物理规律。对于研究固体物理的科学家来说，这一游戏则是在完全不同的环境中展开的，这里没有高能的粒子撞击，但是固体材料中深藏的多种复杂的粒子间相互作用则可以涌现出类似于粒子的集体激发，又称作准粒子。有些准粒子更容易被探测，而另一些则往往潜伏在科学家们探索的疆域之外，从而难以捕捉。

近日，由Vidya Madhavan教授带领的美国伊利诺伊大学大学厄巴纳-香槟分校的研究小组与美国国家标准与技术研究院，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开展了合作。利用Madhavan教授小组的高分辨扫描隧道显微镜（STM），他们得以一窥新型非常规超导态UTe2中暗藏的玄机。他们的研究也指明了UTe2是既是寻找已久的手性超导体，也是一种奇异准粒子的天然载体，而物理学家们已经为此搜寻了几十年。相关研究结果已经发表在三月26日出版的Nature杂志上。

对于上面说的奇异准粒子，即Majorana费米子，的探索，可以追溯到1937年意大利物理学家Ettore Majorana的理论工作。从那时起，物理学界就一直在寻找Majorana费米子的踪迹。上世纪末，人们发现一类特定的材料，即手性超导态是Majorana费米子的天然一种天然载体。而UTe2则很可能就是蕴藏这种奇异准粒子的理想材料。

“我们已经很熟悉常规超导体是如何传导电流或者传输电子而不产生任何损耗的机理，”Madhavan教授说。“非常规的手性超导体则非常罕见，并且其物理内涵也尚不清晰。无论是对于基础物理的研究还是量子计算的应用，理解这一类材料都显得十分重要。”

在一个常规超导体中，自旋和动量相反的电子可以形成所谓的“库珀对”，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。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。基于这一理论及实验事实，常规超导体中的库珀对必然会被足够强的外加磁场所“撕裂”，从而进入非超导态。与这一基本共识相反，去年发现的UTe2超导体表现得不同寻常。

2019年，美国国家标准与技术研究院的冉升博士和Nicholas Butch博士等人在Science杂志上报道了UTe2具有奇特的超导电性。紧接着，他们又报道了UTe2即使在65特斯拉的强磁场下依然保持着超导电性。要知道，这一磁场强度是普通电冰箱磁体的一万倍，而UTe2的超导转变温度又只有1.6开尔文。UTe2的这一反常行为以及近期发现的其他奇异性质，让上述发现者们完全有理由相信该材料中的电子有着与众不同的配对方式，即自旋方向平行的电子配对。这种配对方式，即自选三重态配对，使得这种库珀对可以抵御超强的磁场。假如情况属实，那么UTe2也有很大可能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殊的拓扑表面态，这种表面态则是由寻找已久的Majorana费米子构成的。Madhavan教授及其合作者的这篇新的论文就进一步肯定了这一点。

在这篇工作中，上述团队利用了高分辨的扫描隧道显微镜搜寻了Majorana费米子存在的迹象。这一显微镜技术不仅可以在原子尺度测量UTe2的表面晶格结构，还可以研究表面电子态的密度及其变化。微观上，UTe2的解理表面非常规则及平整，但是也容易出现天然的原子层间台阶。理论上，如果UTe2是手性超导体，那么即使没有外加电压，材料的边界上也会激发出单向运动的自发电流。研究者们仔细测量了UTe2边界上的电子态，并在材料的超导能隙内观测到了一个非对称的峰，而且这个峰的位置只与台阶的法向相关。最有趣的是，在法向相反的台阶上，上述非对称的峰的能量相对于费米能级的位置也恰好相反。这一现象表现出来明显的手性对称特征。

“将不同台阶上的电子态密度谱放一起，你可以明显看到两组测量信号是镜面对称的。而在普通超导体中，这是绝对不会出现的，”Madhavna教授补充道。“最合理的解释是，我们的实验直接测到了沿台阶运动的Majorana费米子。”这一研究团队认为，他们的测量表明自由移动的Majorana费米子只能在材料表面单向循环运动，从而产生了镜像（或者说手性）的特征信号。

接下来，一个重要的后续工作是通过实验测量确定材料在超导态存在时间反演对称。该结果将为UTe2的手性超导特性提供进一步的证据。如果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定的具有手性自旋三重态配对的超导材料。Madhavan教授坦言，“这一重大的发现将为我们理解这种罕见的超导性质提供一个独特契机，并且可能为Majorana费米子的操控，甚至将来的量子信息技术科学的应用开辟新方向。”

该项工作由Vidya Madhavan教授，Nicholas Butch教授及焦琳博士设计并主导。王震宇博士（目前就职于中国科学技术大学）及博士生Sean Howard，Jorge Rodriguez参与了实验，冉升博士提供了研究样品。汪自强教授（波士顿学院）与Manfred Sigrist教授（苏黎世联邦理工大学）提供了理论指导。

论文题目：”Chiral superconductivity in heavy-fermion metal UTe2”

DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2122-2