非常规超导体是有前途的量子计算平台的一部分

非常规超导体是有前途的量子计算平台的一部分
...

马里兰大学量子材料中心的研究人员培育出一种很有前途的拓扑超导体晶体。图片来源:NIST

正在寻找一种非常规超导体的科学家们已经提供了迄今为止最令人信服的证据,证明他们已经找到了。在两篇论文中,马里兰大学 (UMD) 量子材料中心 (QMC) 的研究人员及其同事表明,二碲化铀(或简称 UTe 2)具有拓扑超导体的许多特征——一种可以解锁的材料构建量子计算机和其他未来设备的新方法。

“大自然可能是邪恶的,”UMD 物理学教授、QMC 主任、其中一篇论文的资深作者约翰皮埃尔·帕格里奥内 (Johnpierre Paglione) 说。“我们看到所有这些古怪的东西可能还有其他原因,但老实说,在我的职业生涯中,我从未见过这样的事情。”

所有超导体都没有任何阻力地承载电流。这是他们的事情。墙后的布线无法与这一壮举相提并论,这是几十年来在 MRI 机器和其他科学设备中使用大型超导线线圈而不是普通铜线的众多原因之一。

但是超导体以不同的方式实现它们的超导。自 2000 年代初以来,科学家们一直在寻找一种特殊的超导体,这种超导体依赖于实际携带其电流的亚原子粒子的复杂编排。

这个编舞有一个令人惊讶的导演:一个叫做拓扑学的数学分支。拓扑是一种将形状组合在一起的方法,这些形状可以通过推拉轻轻地相互转换。例如,一个面团球可以做成一条面包或一个比萨饼,但如果不戳一个洞,你就不能把它做成甜甜圈。结果是,从拓扑学上讲,面包和馅饼是相同的,而甜甜圈是不同的。在拓扑超导体中,电子围绕着彼此跳舞,同时绕着类似于甜甜圈中心的洞的东西。

不幸的是,没有什么好方法可以切开超导体并放大这些电子舞步。目前,判断电子是否在抽象的甜甜圈上晃动的最好方法是观察材料在实验中的表现。到目前为止,还没有任何超导体被最终证明是拓扑的,但新论文表明,UTe 2看起来、游泳和叫声都像正确的拓扑鸭。

Paglione 的团队与斯坦福大学的 Aharon Kapitulnik 小组合作进行的一项研究表明,UTe 2 中同时存在的不是一种而是两种超导性。使用这一结果,以及光从材料反弹时的改变方式(除了先前发表的实验证据),他们能够将存在的超导类型缩小到两种选择,理论家认为这两种选择是拓扑的。他们于 2021 年 7 月 15 日在《科学》杂志上发表了他们的发现。

在另一项研究中,由 UMD 物理学教授兼 QMC 成员 Steven Anlage 领导的团队揭示了相同材料表面的异常行为。他们的发现与长期受追捧的拓扑保护马约拉纳模式现象一致。马约拉纳模式,即行为有点像半个电子的奇异粒子,预计会出现在拓扑超导体的表面。这些粒子特别让科学家兴奋,因为它们可能是强大的量子计算机的基础。Anlage 和他的团队在 2021 年 5 月 21 日发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文中报告了他们的结果。

超导体只有在特定温度以下才会显示其特殊特性,就像水只会在零摄氏度以下结冰一样。在普通的超导体中,电子配对成两人康加舞线,并通过金属相互跟随。但在一些罕见的情况下,电子偶会围绕彼此进行圆形舞蹈,更类似于华尔兹。拓扑情况更加特殊——电子的圆形舞蹈包含一个漩涡,就像飓风旋风中的眼睛一样。一旦电子以这种方式配对,涡旋就很难摆脱,这就是拓扑超导体与简单、晴天电子舞不同的原因。

早在 2018 年,Paglione 的团队与 UMD 物理学兼职副教授、美国国家标准与技术研究院 (NIST) 物理学家 Nicholas Butch 团队合作,意外地发现 UTe 2是一种超导体。马上,很明显它不是普通的超导体。最值得注意的是,它似乎不受大磁场的影响,通常通过分裂电子舞偶来破坏超导性。这是 UTe 2中的电子对比平时更紧密地相互结合的第一个线索,可能是因为它们的配对舞蹈是圆形的。这引起了该领域其他人的极大兴趣和进一步研究。

“这有点像一个完美的风暴超导体,”安拉格说。“它结合了许多以前从未见过的不同事物。”

在新的科学论文中,Paglione 和他的合作者报告了两个新的测量结果,揭示了 UTe 2的内部结构。UMD 团队测量了材料的比热,它表征了将其加热 1 度需要多少能量。他们测量了不同起始温度下的比热,并观察它随着样品变得超导而发生的变化。

“通常在超导转变时比热会有很大的跳跃,”Paglione 说。“但我们看到实际上有两次跳跃。所以这是实际上有两次超导转变的证据,而不仅仅是一次。这是非常不寻常的。”

这两次跳跃表明 UTe 2中的电子可以配对以执行两种不同的舞蹈模式中的任何一种。

在第二次测量中,斯坦福团队将激光照射到一块 UTe 2 上,并注意到反射回来的光有点扭曲。如果他们发送上下摆动的光,反射光主要是上下摆动,但也有一点左右。这意味着超导体内部的某些东西正在扭曲光,并且在输出时没有将其解开。

斯坦福大学的 Kapitulnik 团队还发现,磁场可以迫使 UTe 2以一种或另一种方式扭曲光。如果他们在样品变成超导时施加一个朝上的磁场,发出的光就会向左倾斜。如果他们将磁场指向下方,光线就会向右倾斜。这告诉研究人员,对于在样品内部跳舞的电子,晶体的上下方向有一些特殊之处。

为了弄清楚这一切对超导体中的电子跳舞意味着什么,研究人员获得了威斯康星大学密尔沃基分校的理论家和物理学教授、科学论文的合着者 Daniel F. Agterberg 的帮助。根据该理论,铀和碲原子在 UTe 2晶体内的排列方式允许电子偶以八种不同的舞蹈配置组队。由于比热测量显示两种舞蹈同时进行,阿格特伯格列举了将这八种舞蹈组合在一起的所有不同方式。反射光的扭曲特性和磁场沿上下轴的矫顽力将可能性减少到四种。先前的结果表明,UTe 2的超导性在大磁场下的稳健性进一步将其限制在其中的两个舞蹈对中,这两个舞蹈对都形成了一个漩涡,并表明了一种暴风雨般的拓扑舞蹈。

“有趣的是,考虑到我们在实验中所见的限制,我们最好的理论表明超导状态是拓扑的,”Paglione 说。

如果材料中的超导性质是拓扑的,则材料主体的电阻仍将为零,但在表面上会发生一些独特的事情:称为马约拉纳模式的粒子将出现并形成一种流体一种超导体。尽管材料中存在缺陷或环境中的小干扰,这些颗粒也会保留在表面上。研究人员提出,由于这些粒子的独特性质,它们可能是量子计算机的良好基础。将一段量子信息编码到几个相距很远的 Majoranas 中,可以使信息几乎不受局部干扰的影响,到目前为止,这种干扰一直是量子计算机的祸根。

Anlage 的团队希望更直接地探测 UTe 2的表面,看看他们是否能发现这个马约拉纳海的特征。为此,他们向一块 UTe 2发送微波,并测量从另一侧发出的微波。他们比较了有和没有样品的输出,这使他们能够同时测试本体和表面的特性。

表面会在微波强度上留下印记,导致输出与输入同步上下波动,但略有减弱。但由于块体是超导体,它对微波没有抵抗力,也不会改变它们的强度。相反,它会减慢它们的速度,导致延迟,使输出与输入不同步上下波动。通过查看响应的不同步部分,研究人员确定了材料内部有多少电子参与了不同温度下的配对舞蹈。他们发现这种行为与 Paglione 团队建议的圆形舞蹈一致。

也许更重要的是,微波响应的同步部分表明 UTe 2的表面不是超导的。这是不寻常的,因为超导性通常具有传染性:将常规金属靠近超导体会将超导性传播到金属。但是,UTe 2的表面似乎并没有从本体中捕捉到超导性——正如拓扑超导体所预期的那样——而是以一种以前从未见过的方式对微波做出响应。

“表面的行为与我们见过的任何超导体都不同,”安拉格说。“然后问题是'对异常结果的解释是什么?' 与所有其他数据一致的解释之一是,我们有这种受拓扑保护的表面状态,有点像超导体周围的包裹物,你无法摆脱。”

可能很容易得出结论,UTe 2的表面覆盖着马约拉纳模式的海洋并宣布胜利。然而,非凡的主张需要非凡的证据。Anlage 和他的团队试图对他们所观察到的现象提出每一种可能的替代解释,并系统地排除它们,从表面氧化到光线照射到样品的边缘。尽管如此,仍有可能发现一个令人惊讶的替代解释。

“在你的脑海里,你总是在想‘哦,也许是宇宙射线’,或者‘也许是别的东西’,”安拉格说。“你永远不可能 100% 消除所有其他可能性。”

就 Paglione 而言,他说吸烟枪将无非是使用表面 Majorana 模式来执行量子计算。然而,即使 UTe 2的表面真的有一堆 Majorana 模式,目前也没有直接的方法来隔离和操纵它们。使用 UTe 2薄膜代替最近这些实验中使用的(更容易生产的)晶体这样做可能更实用。

“我们有一些尝试制作薄膜的建议,”Paglione 说。“因为它是铀并且具有放射性,所以它需要一些新设备。下一个任务是实际尝试看看我们是否可以生长薄膜。然后下一个任务是尝试制造设备。所以这需要几年时间,但这并不疯狂。”

无论 UTe 2 被证明是期待已久的拓扑超导体,还是只是一只学会游泳和像鸭子一样嘎嘎叫的鸽子,Paglione 和 Anlage 都很高兴不断发现这种材料有什么用。

“很明显,材料中有很多很酷的物理学,”安拉格说。“表面上是否是 Majoranas 肯定是一个重要的问题,但它正在探索新物理学,这是最令人兴奋的东西。”



更多信息: Seokjin Bae et al, Anomalous normal fluid response in a chiral superconductor UTe2, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-22906-6

I. M. Hayes et al, Multicomponent superconducting order parameter in UTe2, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abb0272 , science.sciencemag.org/content … 7/14/science.abb0272