电荷波发出超导体内部罕见物理现象的信号

“万物皆有其所在，万物各就其位”——理解秩序或无序，有助于我们理解自然。动物往往很适合分类：哺乳动物、鸟类、爬行动物、无论 蝾螈 是什么，等等。分类也适用于材料：绝缘体、半导体、导体，甚至超导体。材料在层次结构中的确切位置取决于电子、原子及其周围环境看似看不见的相互作用。

与动物不同，边界不那么清晰，调整材料的环境可以迫使它在类别之间跳跃。例如，降低温度将使某些材料变成超导体。捕捉磁场可能会逆转这种效应。在单一类别内，不同类型的顺序或阶段可以从粒子海洋中出现。不幸的是，我们无法用肉眼看到这个纳米级的宇宙，但科学家可以使用先进的成像工具来可视化正在发生的事情。每隔一段时间，他们就会发现意想不到的、令人惊讶的行为。

物理学教授说：“物质新相的发现是物理学的圣杯之一，常常会引起很多兴奋，因为它可以改变我们的思维和观察方式，甚至改变我们理解量子粒子行为的方式。”维迪亚·马达万。

在 Madhavan 的带领下，来自诺伊大学、马里兰大学、华盛顿大学和国家标准与技术研究所的研究人员现在在二碲化铀 (UTe2) 晶体中发现了不寻常的电荷波。该团队的理论家开发了一个模型，将实验观察结果与晶体不寻常的超导性的前所未见的方面联系起来。这些发现最初在去年的一次会议上分享，启发了康奈尔大学的其他研究人员直接测量超导性的互补特征。这两项成果均发表在 6 月 28 日的 《自然》杂志上。

超导体是在 1900 年代才被发现的，科学家们仍在努力解释属于此类的无数材料。这项工作是有关超导体 UTe2 的一系列成果中的最新成果。来自 NIST 的 Nicholas Butch 和马里兰大学的 Johnpierre Paglione 小组的研究人员为这项研究提供了晶体。在环境温度下，UTe2 相当不起眼，类似于一块闪亮的熔岩。当材料用液氦冷却时，它开始导电而不加热——这就是所谓的超导性。

常规电导率，即为电器供电的电子运动，主要是单粒子效应。这意味着科学家可以在很大程度上解释和预测典型的电导率，而无需考虑电子-电子相互作用的物理原理。超导性是完全不同的，因为它涉及电子相互作用形成所谓的库珀对。

所有材料的配对并不相同，因此超导有不止一种风格。例如，每个电子都有一个称为自旋的属性，它可以以两种方式之一定向：向上或向下。当两个电子结合在一起时，它们的自旋方向可以相反或相同。后者被称为三重态配对，是超导世界中的稀有鸟类。在过去的几年里，本次合作以及其他小组的科学家们进行的测量表明 UTe2 具有三重态配对。

在这项研究中，Madhavan 小组的实验人员使用扫描隧道显微镜 (STM) 来可视化材料的微观结构。该显微镜中没有镜头或镜子。相反，电子提供了了解 UTe2 结构的敏感窗口。在显微镜中，钨尖以亚纳米分辨率扫过材料表面。尖端和材料都是电路的一部分，电子通过真空从尖端移动到材料。量子隧道效应会导致这种运动，这也是该设备得名的原因。该装置在 300 毫开尔文和高达 11 特斯拉左右的磁场下运行。STM 显示电荷的分布并不均匀，而是呈条纹状。

“我们发现超导状态下存在电荷密度波，但这本身并不一定不寻常。奇怪的是，破坏超导性也会使电荷波消失，”Madhavan 小组的主要作者、物理学研究生 Anuva Aishwarya 说道，她一直在不懈地追寻 UTe2 和其他奇异材料的物理学。

研究小组对数据进行了傅里叶分析，清楚地表明电荷密度波在低磁场中存在，然后在 10 特斯拉以上消失，超导性消失。这是波以某种方式与材料的超导性交织在一起的关键信号之一。

理论家朱利安·梅-曼 (Julian May-Mann) 和 UIUC 物理学教授爱德华多·弗拉德金 (Eduardo Fradkin) 对这些观察结果做出了解释。据该团队称，电荷密度波是由材料中完全不同的波产生的，该波由库珀对组成。这些波浪都不像水一样潮起潮落。相反，它们是两种不同属性的静态变化——一个与电荷有关，另一个与相互作用的电子对有关。这些波一起提供了对 UTe2 中发生的有序类型的见解。交织的父子波也可能出现在其他含有铜和氧原子的超导体中。这项新研究是科学家第一次在具有三重态配对的超导体中看到这一点的证据。

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