研究人員發現超導現象殘留狀態的證據

超導現象應該是一種全有或全無的量子狀態。當材料冷卻至臨界溫度以下時，電子配對並進入一種允許電流無阻流動的狀態；而當溫度回升時，這種集體狀態便會消失。然而，對二硒化鈾的實驗結果顯示，即使主要相位消失，部分超導行為仍然可以存活。伊利諾伊大學香檳分校的物理學家發現，庫珀對——即超導現象中的配對電子——可以排列成一種稱為對密度波（PDW）的重複模式。更有趣的是，這種模式在二硒化鈾停止超導的溫度以上仍然持續存在。

這些發現提供了第一個直接證據，證明 PDW 可以獨立於主要超導相位存在。

PDW的獨立存在

「當我們首次提出這一點時，我們感覺像是在冒險。這是一個非常特殊的狀態，儘管有實驗上的暗示，但尚未有直接證據證明該相位的存在。」研究人員之一、伊利諾伊大學香檳分校的物理學教授愛德華多·弗拉迪金（Eduardo Fradikin）表示。發現隱藏狀態在傳統超導體中，電子組成庫珀對，這些對凝聚成一個集體量子狀態。非傳統超導體的行為則可能有所不同，並且可能存在額外的電子相位，包括電荷密度波（CDW），其電荷在材料中定期變化。

PDW 的形成與此相似，形成空間模式，但調節的量是庫珀對的密度。這一概念於 2007 年提出，其中包括這些配對電子在超導轉變以上存在的引人注目的可能性。

然而，「PDW 在實際材料中非常難以分析，因為它們在某些實驗中表現得像傳統超導體，而在其他實驗中則像 CDW。」研究作者之一、伊利諾伊大學香檳分校的前研究生朱利安·梅-曼（Julian May-Mann）表示。二硒化鈾（UTe₂）提供了一個異常的研究對象。這種材料在 2019 年被發現，在約 2 開爾文以下能夠成為超導體。它也被廣泛認為是非常規三重對超導體的候選者，其中配對電子能夠攜帶磁矩。

研究人員先前利用掃描隧道顯微鏡檢測到材料表面的 CDW，但有些地方不太合適，因為磁場會摧毀這些波。正常的 CDW 不應如此強烈地對磁場做出反應，這促使研究人員考慮是否有 PDW 隱藏在其中。

為了觀察這些信號，研究人員首先需要更為純淨的 UTe₂ 晶體，因為 PDW 極為脆弱，雜質可能會掩蓋其特徵。因此，他們使用新的熔融通量生長方法生產了更高質量的樣本。「得益於新方法的發展，我們能夠觀察到與溫度和磁場相應的光譜特徵，這正是對密度波應有的反應。」研究人員之一、伊利諾伊大學香檳分校的物理學教授維迪亞·馬達萬（Vidya Madhavan）表示。他們使用向量磁場掃描隧道顯微鏡檢查這些晶體。

與傳統設置不同，該儀器能夠改變磁場的強度和方向，這一點至關重要，因為 UTe₂ 是各向異性的，意味著其性質強烈依賴於方向。

測量結果顯示，電子模式對溫度和磁場的反應與 PDW 的理論預期相符，包括在超導臨界溫度以上存活的模式。「我們甚至展示了這些模式在超導性消失的溫度以上仍然存在，這是一個理論預測，但之前尚未令人信服地觀察到。」馬達萬補充道。研究人員還發現，僅有 CDW 的解釋與電子相位對溫度和磁場的反應的既定原則相矛盾。PDW 的解釋提供了更一致的觀察解釋。

超導狀態的形成過程

這一結果可能會重塑物理學家對非傳統超導體的思考，因為它暗示著庫珀配對可以在材料發展出完整的超導狀態之前開始進行。這可能幫助研究人員理解為何某些非傳統材料會發展出複雜的相位，並可能指導對新超導狀態的探索。「對密度波是超導現象的切莎貓微笑。它們是當相位本身消失後殘留的痕跡。在傳統超導體中，庫珀對的形成是當完整的相變發生時，但在這個系統中，觀察到 PDW 中的庫珀對在轉變點以上的存在，顯示它們是在不同狀態中提前形成的。」

弗拉迪金解釋道。

然而，這裡也存在一個重要的限制。掃描隧道顯微鏡探測材料的表面，因此研究人員尚無法證明相同的 PDW 存在於內部。因此，下一個挑戰是確定這一隱藏狀態是否延伸到 UTe₂ 的整體內部，並更確定其性質。該研究發表在《PNAS》期刊上。

PDW對非傳統超導體研究的重要性

這項研究揭示了PDW的存在，挑戰了傳統超導體的理解。研究人員的發現表明，庫珀對的形成可能在超導狀態完全建立之前就開始，這對於理解非常規超導材料的行為至關重要。這不僅有助於物理學家重新思考超導現象的本質，也可能指導未來對新超導狀態的探索。隨著對PDW的深入研究，未來或許能夠開發出更高效的超導材料。