科學家確定的新型超導體

該圖顯示了釕酸鍶的晶格對通過共振超聲光譜發送的各種聲波的響應，因為該材料在1.4開爾文（負457華氏度）下通過其超導轉變而冷卻。突出顯示的變形表明該材料可能是新型的超導體。圖片來源：研究人員

到目前為止，超導材料的歷史一直是兩種類型的故事：s波和d波。

現在，康奈爾大學的研究人員-由文理學院的迪克和戴爾·瑞斯·詹森（Dick＆Dale Reis Johnson）助理教授布拉德·拉姆肖（Brad Ramshaw）領導-發現了一種可能的第三種類型：g波。

他們的論文「 Sr 2 RuO 4中的雙組分超導階參數的熱力學證據」於2020年9月21日在《自然物理學》上發表。主要作者是博士生Sayak Ghosh，MS '19。

超導體中的電子一起以庫珀對運動。這種「成對」賦予超導體其最著名的特性-無電阻-因為為了產生電阻，必須將庫珀對分開，這會消耗能量。

在s波超導體中（通常是常規材料，例如鉛，錫和汞），庫珀對由一個指向上方和指向下方的電子組成，它們朝著彼此正向移動，而沒有淨角動量。近幾十年來，一類新型的外來材料展現了所謂的d波超導性，其中庫珀對具有兩個角動量量子。

物理學家已經在這兩個所謂的「單態」狀態之間理論上存在第三種超導體：一種具有角動量量子的p波超導體，並且電子與平行而非反平行自旋成對。這種自旋三重態超導體將是量子計算的重大突破，因為它可用於製造馬約拉納費米子，這是一個獨特的粒子，它本身就是反粒子。

20多年來，p波超導體的主要候選材料之一是釕酸鍶（Sr2RuO4），儘管最近的研究已開始使這一想法陷入困境。

Ramshaw和他的團隊一勞永逸地確定了釕酸鍶是否是非常需要的p波超導體。他們使用高解析度共振超聲光譜法，發現該材料可能完全是一種全新的超導體：g波。

拉姆肖說：「這項實驗確實顯示了我們從未想過的這種新型超導體的可能性。」 「它確實為超導體可以成為什麼樣以及如何表現出自身開闢了可能性的空間。如果我們要掌握控制超導體並在半導體中進行微調控制的技術中使用它們，我們真的很想知道它們的工作原理以及它們的品種和風味。」

與以前的項目一樣，Ramshaw和Ghosh使用共振超聲光譜法研究了釕的鍶酸鍶晶體的超導性，該晶體是由德國馬克斯普朗克固體化學物理研究所的合作者生長並精確切割的。

但是，與以前的嘗試不同，Ramshaw和Ghosh在嘗試進行實驗時遇到了一個重大問題。

戈什說：「將共振超聲冷卻到1開爾文（華氏 457.87度）是困難的，我們必須製造一種全新的儀器來實現這一目標。」

通過新的設置，康奈爾團隊測量了晶體的彈性常數（本質上是材料中的聲速）對各種聲波的響應，因為材料在1.4開爾文（負457華氏度）的超導轉變中冷卻了。

拉姆肖說：「這是迄今為止在這種低溫下獲得的最高精度的共振超聲光譜數據。」

根據數據，他們確定釕酸鍶是所謂的兩組分超導體，這意味著電子結合在一起的方式是如此複雜，無法用一個單一數字來描述。它也需要一個方向。

先前的研究已經使用核磁共振（NMR）光譜來縮小釕酸鍶可能是哪種波材料的可能性，從而有效地消除了p波的選擇。

通過確定這種材料是兩種成分，Ramshaw的團隊不僅證實了這些發現，還表明釕酸鍶也不是傳統的s波或d波超導體。

Ramshaw說：「共振超聲確實可以讓您進入，即使您無法識別所有微觀細節，也可以做出廣泛的陳述，以排除哪些細節。」 「因此，這些實驗唯一符合的是這些非常非常奇怪的東西，這是前所未有的。其中之一是g波，表示角動量4。甚至沒有人曾經想到會有g波超導體。」

現在，研究人員可以使用該技術檢查其他材料，以確定它們是否是潛在的p波候選者。

但是，釕酸鍶的工作尚未完成。

拉姆肖說：「這種材料在很多不同的情況下都得到了很好的研究，而不僅僅是其超導電性。」 「我們了解它是哪種金屬，為什麼是金屬，當您改變溫度時其行為，當您改變磁場時其行為。因此，您應該能夠構建一種理論，說明為什麼它在這裡比其他任何地方都可以成為更好的超導體。」

參考文獻：「用於高級的雙組分超導序參數熱力學證據2的RuO 4由Sayak戈什，阿爾卡季Shekhter，F. Jerzembeck，N.菊川，梅德A.索科洛夫，曼努埃爾布蘭，AP麥肯齊，克利福W.希克斯和」 BJ Ramshaw，2020年9月21日，自然物理學。
DOI：10.1038 / s41567-020-1032-4

合著者包括馬克斯·普朗克固體化學物理研究所的研究人員；佛羅裡達州立大學國家高磁場實驗室; 以及日本筑波的國立材料科學研究所。

康奈爾大學的研究得到了美國能源部基礎能源科學辦公室和康奈爾大學材料研究中心的支持，康奈爾大學材料研究中心得到了美國國家科學基金會的材料研究科學與工程中心計劃的支持。