研究小组展示了二碲化铀如何在高磁场下继续超导

　　超导性在所谓的“常规”超导体中得到了很好的理解。然而，最近出现的是非常规超导体，它们的工作原理尚不清楚。

　　HZDR的一个团队，与来自CEA、日本东北大学和马克斯普朗克固体化学物理研究所的同事们一起，现在已经解释了为什么一种新材料即使在极高的磁场中也能保持超导性——这是传统超导体所缺乏的特性。这一发现有可能使以前难以想象的技术应用成为可能。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。

　　“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，这种化合物的导电方式与传统超导体不同，不会损耗。”

　　从那时起，世界各地的研究小组对这种材料产生了兴趣。这包括Helm的团队，他们离了解这种化合物又近了一步。

　　“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的电子运动引起的。每当它们与原子碰撞时，它们就以热的形式损失能量。这表现为电阻。电子可以通过排列成对来避免这种情况，即所谓的库珀对。”

　　库珀对描述的是两个电子在低温下结合在一起，在固体中无摩擦地运动。它们利用周围的原子振动作为一种波，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。

　　这位物理学家说:“然而，多年来，超导体中库珀对是由尚未完全理解的效应形成的。”一种可能的非常规超导形式是自旋三重态超导，它被认为是利用了磁波动。

　　赫尔姆解释说:“也有一些金属的传导电子聚集在一起。”“在一起，它们可以屏蔽材料的磁性，就像电子一样，具有极高质量的单个粒子。”

　　这种超导材料被称为重费米子超导体。因此，正如目前的实验表明的那样，UTe2既可以是自旋三重态，也可以是重费米子超导体。除此之外，它是重量级的世界冠军——迄今为止，没有其他已知的重费米子超导在类似或更高的磁场下。本研究也证实了这一点。

　　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，则电阻降至零，材料变为超导。外磁场也会影响超导性。如果这些值超过一个临界值，效果就会崩溃。

　　“物理学家对此有一个经验法则，”赫尔姆说。“在许多传统超导体中，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，这个比例通常要高得多。”

　　通过对重质UTe2的研究，研究人员现在已经能够将标准提高到更高:在1.6开尔文(-271.55℃)的转变温度下，临界磁场强度达到73特斯拉，使比值达到45，这是一个记录。

　　“到目前为止，重费米子超导体对技术应用几乎没有兴趣，”这位物理学家解释说。“它们的转变温度非常低，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仍能导电而不损耗的材料将是一个重大的进步。

　　“当然，UTe2不能用来制造超导电磁铁的引线，”Helm说。“首先，这种材料的性质不适合这种尝试，其次，它是放射性的。但它非常适合探索自旋三重态超导背后的物理学。”

　　基于他们的实验，研究人员开发了一个模型，可以解释超导性对磁场的极高稳定性。为了做到这一点，他们研究了厚度只有几微米的样品——只有人类头发厚度的一小部分(大约70微米)。因此，样本发出的放射性辐射仍远低于自然本底辐射。

　　为了获得和塑造如此微小的样品，Helm使用了直径只有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，然后将其密封在环氧树脂胶中。

　　“为了最终证明我们的材料是自旋三重态超导体，我们必须在它暴露于强磁场时对其进行光谱检查。然而，目前的光谱学方法仍然在40特斯拉以上的磁场中挣扎。与其他团队一起，我们也致力于开发新技术。最终，这将使我们能够提供明确的证据，”赫尔姆说。