新测量显示出在二碲化铀超导体中难以捉摸粒子的证据

诸平

据美国伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）艾米丽·爱德华兹（Emily Edwards）当地时间2020年4月3日提供的消息,该校的科研人员新测量结果显示，在新发现的超导体（UTe₂）中获得难以捉摸粒子的证据。

Fig. 1　New measurements show evidence for the presence of exotic Majorana particles on the surface of an unconventional superconductor, Uranium ditelluride. Credit: Dr. E. Edwards, Managing Director of Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST). 

图1照片是伊利诺斯州量子信息科学与技术中心(Illinois Quantum Information Science and Technology Center, IQUIST)的董事总经理E. 爱德华兹博士（Dr. E. Edwards）提供的，在一种非常规超导体——二碲化铀（Uranium ditelluride, UTe₂）的表面存在奇异的马约拉纳粒子（Majorana particles）证据的新测量结果。

粒子追踪是很多物理学家所玩的一种游戏。有时，搜寻工作是在大型超级对撞机内进行的，在那里，为了找到隐藏的粒子和新的物理现象，需要壮观的强烈碰撞。对于研究固体的物理学家来说，这个游戏发生在一个完全不同的环境中，而那些备受追捧的粒子并不是来自激烈的碰撞。相反，在物质内部深处发生的复杂的电子相互作用会产生类似粒子的实体，即准粒子（quasiparticles）。有时准粒子很容易探测到，但其他准粒子更难探测到，它们潜伏在难以触及的地方。

现在在美国伊利诺斯大学由物理学家维迪雅·马达范（Vidya Madhavan）领导的一个研究小组,会同美国国家标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology）的研究人员,美国马里兰大学（University of Maryland）、波士顿学院（Boston College）以及瑞士苏黎世联邦理工学院（Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, ETH Zurich）的研究人员,他们采用高分辨率显微镜工具对一种不同寻常的UTe₂超导体内部的工作细节进行观察。他们的测量结果提供了强有力的证据，证明这种物质可能是一种奇异准粒子（exotic quasiparticle）的天然家园，而这种奇异的准粒子几十年来一直没有被物理学家所发现。相关研究结果发表于2020年3月26日出版的《自然》（Nature）杂志——Lin Jiao, Sean Howard, Sheng Ran, Zhenyu Wang, Jorge Olivares Rodriguez, Manfred Sigrist, Ziqiang Wang, Nicholas P. Butch, Vidya Madhavan. Chiral superconductivity in heavy-fermion metal UTe₂. Nature, 2020; 579 (7800): 523-527. DOI: 10.1038/s41586-020-2122-2

早在1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)就提出了有关粒子的理论。从那以后，物理学家一直试图证明它们的存在。科学家们认为，一种被称为“手性非常规超导体（chiral unconventional superconductors）”的特殊材料可能会自然地宿主埃托雷·马约拉纳所预料的粒子。UTe₂可能具有产生这些难以捉摸的准粒子的所有正确属性。

维迪雅·马达范说:“我们知道传统超导体的物理原理，也知道它们是如何导电或将电子从导线的一端转移到另一端而不产生电阻的。”但是，维迪雅·马达范补充说：“手性非常规超导体并不多见，物理学对此也知之甚少，不那么为人所知。因此，理解它们不仅对基础物理非常重要，而且手性非常规超导体在量子计算中有潜在的应用价值。” 

在正常的超导体内部，电子以某种方式配对，使无损的、持续的电流成为可能。这与普通导体(如铜线)形成对比，当电流通过它时，它会升温。超导背后的部分理论是几十年前由三名科学家提出的，他们的工作获得了诺贝尔物理学奖(1972年诺贝尔物理学奖)。对于这种传统的超导性来说，磁场是大敌，它会破坏电子对，使材料恢复正常。在过去的一年里，研究人员发现二碲化铀（UTe₂）的行为不同。

2019年，冉圣(Sheng Ran音译)、尼古拉斯·布奇（Nicholas Butch）(他们都是本研究的共同作者)和他们的合作者宣布，UTe₂在高达65特斯拉（Tesla）的磁场中仍然具有超导性，这种情况要比冰箱磁铁强约1万倍。这种不同寻常的行为，结合其他的测量，使得论文的作者推测，电子以一种不同寻常的方式配对，使它们能够抵抗分裂。这种配对很重要，因为具有这种特性的超导体表面很可能存在马约拉纳粒子。维迪雅·马达范及其合作者的新研究加强了这一观点。

研究小组使用了一种叫做扫描隧道显微镜的高分辨率显微镜来寻找异常电子配对和马约拉纳粒子的证据。这台显微镜不仅能把UTe₂的表面描绘成原子的层次，而且还能探测电子的活动。这种材料本身是银色的，而且其表面具有突出的台阶。这些台阶特征是马约拉纳准粒子存在的最佳证据。它们提供了一个清晰的边缘，如果预测是正确的，即使没有施加电压，也应该显示出沿一个方向运动的连续电流的特征。研究小组扫视了台阶的两侧，发现了一个峰值信号。但峰值是不同的，这取决于扫描的是阶梯的哪一边。

维迪雅·马达范说：“看看台阶的两边，你会看到一个彼此互为镜像的信号。在正常的超导体中，是找不到这种物质的。看到这些镜像的最佳解释是，我们正在直接测量移动的马约拉纳粒子的存在。”研究小组表示，测量结果表明，自由移动的马约拉纳准粒子正沿着一个方向一起循环，从而产生镜像信号，即手性信号。维迪雅·马达范说，下一步是进行测量，以确认这种材料打破了时间反转对称性（time-reversal symmetry）。这意味着，如果时间之箭从理论上被倒转过来，粒子的运动应该是不同的。这样的研究将为UTe₂的手性性质提供额外的证据。

如果得到证实，UTe₂将是除超流体He-3之外唯一被证明是手性非常规超导体的物质。“这是一个巨大的发现，它将使我们了解这种罕见的超导性，也许，假以时日，我们甚至可以用一种对量子信息学有用的方式来操纵马约拉纳准粒子。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Device splits and recombines superconducting electron pairs 

Abstract

Spin-triplet superconductors are condensates of electron pairs with spin 1 and an odd-parity wavefunction1. An interesting manifestation of triplet pairing is the chiral p-wave state, which is topologically non-trivial and provides a natural platform for realizing Majorana edge modes2,3. However, triplet pairing is rare in solid-state systems and has not been unambiguously identified in any bulk compound so far. Given that pairing is usually mediated by ferromagnetic spin fluctuations, uranium-based heavy-fermion systems containing f-electron elements, which can harbour both strong correlations and magnetism, are considered ideal candidates for realizing spin-triplet superconductivity4. Here we present scanning tunnelling microscopy studies of the recently discovered heavy-fermion superconductor UTe2, which has a superconducting transition temperature of 1.6 kelvin5. We find signatures of coexisting Kondo effect and superconductivity that show competing spatial modulations within one unit cell. Scanning tunnelling spectroscopy at step edges reveals signatures of chiral in-gap states, which have been predicted to exist at the boundaries of topological superconductors. Combined with existing data that indicate triplet pairing in UTe2, the presence of chiral states suggests that UTe2 is a strong candidate for chiral-triplet topological superconductivity.