UTe2 揭开新的超导秘密

UTe2是国际研究人员研究的一种非常规超导体，在高磁场下表现出独特的超导性，具有新的技术潜力。

在足够低的温度下，某些金属会失去电阻，并且它们导电而不会损失。超导性的这种效应已经有一百多年的历史了，对于所谓的传统超导体来说，这是众所周知的。然而，最近的是非常规超导体，目前尚不清楚它们是如何工作的。

来自亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心（HZDR）的一个团队，与来自法国研究机构CEA（Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives）的同事、日本东北大学和德累斯顿的马克斯·普朗克固体化学物理研究所（Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids）的同事一起，现在获得了新的见解。研究人员在《自然通讯》杂志上报告了他们最近的发现。他们可以解释为什么一种新材料即使在极高的磁场下也能保持超导性——这是传统超导体所缺乏的特性，有可能实现以前无法想象的技术应用。

追踪非常规超导

“二碲化铀，简称UTe₂，是超导材料中的佼佼者，”HZDR德累斯顿高磁场实验室（HLD）的Toni Helm博士说。“正如 2019 年发现的那样，这种化合物导电而不会损耗，但其方式与传统超导体不同。”

从那时起，世界各地的研究小组都对这种材料产生了兴趣。这包括 Helm 的团队，他们离理解材料更近了一步。

“为了充分理解围绕这种材料的炒作，我们需要仔细研究超导性，”这位物理学家解释说。“这种现象是由材料中电子的运动引起的。每当它们与原子碰撞时，它们就会以热量的形式失去能量。这表现为电阻。电子可以通过排列成对的形式来避免这种情况，即所谓的库珀对。

这是当两个电子在低温下结合以无摩擦地穿过固体时。然后，它们利用周围的原子振动作为一种波浪，它们可以在不损失能量的情况下冲浪。这些原子振动解释了传统的超导性。

“然而，几年来，人们也知道超导体中的库珀对是由尚未完全理解的效应形成的，”这位物理学家说。非常规超导性的一种可能形式是自旋三重态超导。据信它利用了磁波动。

“还有一些金属，其中的传导电子聚集在一起，”赫尔姆解释道。“它们一起可以屏蔽材料的磁性，表现为单个粒子，对于电子来说，质量极高。

这种超导材料被称为重费米子超导体。因此，UTe₂可能既是自旋三重态，也可能是重费米子超导体，正如目前的实验所表明的那样。最重要的是，它是重量级的世界冠军：迄今为止，还没有其他重费米子超导体在类似或更高的磁场下仍然超导。本研究也证实了这一点。

对磁场具有极强的抵抗力

超导性取决于两个因素：临界转变温度和临界磁场。如果温度低于临界转变温度，电阻降至零，材料变为超导。外部磁场也会影响超导性。如果这些值超过临界值，则效果会崩溃。

“物理学家对此有一个经验法则，”赫尔姆报告说：“在许多传统的超导体中，开尔文的转变温度值大约是特斯拉临界磁场强度值的一到两倍。在自旋三重态超导体中，这个比率通常要高得多。

通过对重量级UTe₂的研究，研究人员现在已经能够将标准提高到更高的水平：在1.6开尔文（-271.55°C）的转变温度下，临界磁场强度达到73特斯拉，将比率设定为45 – 创纪录。

“到目前为止，重费米子超导体对技术应用兴趣不大，”这位物理学家解释说。“它们的过渡温度非常低，冷却它们所需的努力相对较高。

然而，它们对外部磁场的不敏感可以弥补这一缺点。这是因为无损电流传输目前主要用于超导磁体，例如磁共振成像 （MRI） 扫描仪。然而，磁场也会影响超导体本身。一种能够承受非常高的磁场并且仍然导电而不会造成损失的材料将代表着向前迈出的重要一步。

对要求苛刻的材料进行特殊处理

“当然，UTe₂不能用于制造超导电磁铁的引线，”Helm说。“首先，这种材料的特性使其不适合这项工作，其次，它具有放射性。但它非常适合探索自旋三重态超导背后的物理学。

根据他们的实验，研究人员开发了一种模型，可以作为对磁场具有极高稳定性的超导性的解释。为此，他们研究了厚度为几微米的样品——只有人类头发厚度的一小部分（约 70 微米）。因此，样品发出的放射性辐射仍然远低于自然背景的放射性辐射。

为了获得和塑造如此微小的样品，Helm 使用了直径仅为几纳米的高精度离子束作为切割工具。UTe₂ 是一种空气敏感材料。因此，Helm 在真空中进行样品制备，然后将它们密封在环氧化物胶中。

“为了最终证明我们的材料是自旋三重态超导体，我们必须在它暴露在强磁场中时对其进行光谱检查。然而，目前的光谱学方法在40特斯拉以上的磁场中仍然难以挣扎。与其他团队一起，我们也在努力开发新技术。最终，这将使我们能够提供明确的证据，“赫尔姆自信地说。