發現新粒子是物理學家們樂此不疲的尋寶遊戲。有時候這樣的獵奇活動是藉助於巨大的加速器實現的，高能粒子束的碰撞可以產生新的粒子或者揭示新的物理規律。對於研究固體物理的科學家來說，這一遊戲則是在完全不同的環境中展開的，這裡沒有高能的粒子撞擊，但是固體材料中深藏的多種複雜的粒子間相互作用則可以湧現出類似於粒子的集體激發，又稱作準粒子。有些準粒子更容易被探測，而另一些則往往潛伏在科學家們探索的疆域之外，從而難以捕捉。
近日，由Vidya Madhavan教授帶領的美國伊利諾伊大學大學厄巴納-香檳分校的研究小組與美國國家標準與技術研究院，馬裡蘭大學，波士頓學院以及瑞士蘇黎世聯邦理工的科學家們開展了合作。利用Madhavan教授小組的高分辨掃描隧道顯微鏡（STM），他們得以一窺新型非常規超導態UTe2中暗藏的玄機。他們的研究也指明了UTe2是既是尋找已久的手性超導體，也是一種奇異準粒子的天然載體，而物理學家們已經為此搜尋了幾十年。相關研究結果已經發表在三月26日出版的Nature雜誌上。
非常規超導體UTe2的表面，奇異的Majorana費米子沿相反的臺階朝相反方向運動的示意圖。供圖 Dr. E. Edwards, Managing Director of IllinoisQuantum Information Science and Technology Center (IQUIST)
對於上面說的奇異準粒子，即Majorana費米子，的探索，可以追溯到1937年義大利物理學家Ettore Majorana的理論工作。從那時起，物理學界就一直在尋找Majorana費米子的蹤跡。上世紀末，人們發現一類特定的材料，即手性超導態是Majorana費米子的天然一種天然載體。而UTe2則很可能就是蘊藏這種奇異準粒子的理想材料。
「我們已經很熟悉常規超導體是如何傳導電流或者傳輸電子而不產生任何損耗的機理，」Madhavan教授說。「非常規的手性超導體則非常罕見，並且其物理內涵也尚不清晰。無論是對於基礎物理的研究還是量子計算的應用，理解這一類材料都顯得十分重要。」
在一個常規超導體中，自旋和動量相反的電子可以形成所謂的「庫珀對」，庫珀對在晶格當中可以無損耗的運動，形成超導電流。超導電性的部分理論正是半個世紀前在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校被提出的，即BCS理論。基於這一理論及實驗事實，常規超導體中的庫珀對必然會被足夠強的外加磁場所「撕裂」，從而進入非超導態。與這一基本共識相反，去年發現的UTe2超導體表現得不同尋常。
2019年，美國國家標準與技術研究院的冉升博士和Nicholas Butch博士等人在Science雜誌上報導了UTe2具有奇特的超導電性。緊接著，他們又報導了UTe2即使在65特斯拉的強磁場下依然保持著超導電性。要知道，這一磁場強度是普通電冰箱磁體的一萬倍，而UTe2的超導轉變溫度又只有1.6開爾文。UTe2的這一反常行為以及近期發現的其他奇異性質，讓上述發現者們完全有理由相信該材料中的電子有著與眾不同的配對方式，即自旋方向平行的電子配對。這種配對方式，即自選三重態配對，使得這種庫珀對可以抵禦超強的磁場。假如情況屬實，那麼UTe2也有很大可能成為半世紀前就預言了的手性自選三重態超導體。這種超導體存在一種特殊的拓撲表面態，這種表面態則是由尋找已久的Majorana費米子構成的。Madhavan教授及其合作者的這篇新的論文就進一步肯定了這一點。
在這篇工作中，上述團隊利用了高分辨的掃描隧道顯微鏡搜尋了Majorana費米子存在的跡象。這一顯微鏡技術不僅可以在原子尺度測量UTe2的表面晶格結構，還可以研究表面電子態的密度及其變化。微觀上，UTe2的解理表面非常規則及平整，但是也容易出現天然的原子層間臺階。理論上，如果UTe2是手性超導體，那麼即使沒有外加電壓，材料的邊界上也會激發出單向運動的自發電流。研究者們仔細測量了UTe2邊界上的電子態，並在材料的超導能隙內觀測到了一個非對稱的峰，而且這個峰的位置只與臺階的法向相關。最有趣的是，在法向相反的臺階上，上述非對稱的峰的能量相對於費米能級的位置也恰好相反。這一現象表現出來明顯的手性對稱特徵。
「將不同臺階上的電子態密度譜放一起，你可以明顯看到兩組測量信號是鏡面對稱的。而在普通超導體中，這是絕對不會出現的，」Madhavna教授補充道。「最合理的解釋是，我們的實驗直接測到了沿臺階運動的Majorana費米子。」這一研究團隊認為，他們的測量表明自由移動的Majorana費米子只能在材料表面單向循環運動，從而產生了鏡像（或者說手性）的特徵信號。
接下來，一個重要的後續工作是通過實驗測量確定材料在超導態存在時間反演對稱。該結果將為UTe2的手性超導特性提供進一步的證據。如果這些預言都能得以印證，那麼UTe2將是He3超流體之外唯一被確定的具有手性自旋三重態配對的超導材料。Madhavan教授坦言，「這一重大的發現將為我們理解這種罕見的超導性質提供一個獨特契機，並且可能為Majorana費米子的操控，甚至將來的量子信息技術科學的應用開闢新方向。」
該項工作由Vidya Madhavan教授，Nicholas Butch教授及焦琳博士設計並主導。王震宇博士（目前就職於中國科學技術大學）及博士生Sean Howard，Jorge Rodriguez參與了實驗，冉升博士提供了研究樣品。汪自強教授（波士頓學院）與Manfred Sigrist教授（蘇黎世聯邦理工大學）提供了理論指導。
論文題目：」Chiral superconductivity in heavy-fermion metal UTe2」
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2122-2
編輯：Quanta Yuan
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