诡异,科学家在一种材料中,发现了两种超导状态

老胡懂点星 2025-03-14 15:21:17

超导体的竞争,从来不是纯粹的实验室游戏。最新的研究,来自普林斯顿大学、北京理工大学、苏黎世大学等机构,盯上了Kagome晶格超导体CsV₃Sb₅。这是什么?简单来说,就是一种电子能量分布很特殊的超导材料,原子排列成六角形,看着像竹篮编织的花纹。

实验结果很有意思。这种材料的超导态不是单一的,而是分成了两个不同的“超导区间”。换句话说,它不是一个单纯的超导体,而是像“双层蛋糕”一样,内部包含两种不同机制的超导状态。

怎么发现的?

首先,他们测量了CsV₃Sb₅的临界磁场,即超导体在不同温度下还能维持超导性的最大磁场强度。一个超导体在磁场中如果不能维持超导,就会进入正常的金属状态。结果发现,这个材料的临界磁场不是单调变化的,而是在某个点上出现了突跃。这不是普通超导体该有的表现。

接着,他们测量了热容。结果发现,热容随温度变化时也出现了两个异常点,这说明这个超导体内部的电子配对过程可能是分阶段进行的——在不同的温度范围,超导性由不同的电子群体主导。

再然后,他们测量了热导率,结果更加离谱。超导体通常会完全屏蔽电子的散射,但CsV₃Sb₅在某些温度下居然还保留了一定的电子热传导能力,意味着在低温超导态下,仍有部分电子没有被超导配对所覆盖。这是不应该发生的。

这意味着,这个材料的超导态并非单一的,而是“多带”超导。不同的电子带(能量分布不同的电子群体)在不同温度下分别进入超导状态,相互之间的影响又导致整个体系呈现复杂的行为。

更刺激的是,这种材料的超导性是从一个非常“不老实”的正常态演化过来的。CsV₃Sb₅的正常态不是普通的金属,而是带有手性电荷密度波(Chiral Charge Density Wave,CDW)的系统。

什么是手性电荷密度波?

简单说,就是电子的分布自发形成某种对称性破缺的模式,而且这种模式还带有一定的方向性,就像是水面上形成了固定方向旋转的涟漪。这种现象在超导体中极少见,通常意味着强烈的电子相互作用。更重要的是,它还会导致材料出现异常霍尔效应——材料内部的电子运动方向和外加磁场无关。这很诡异,因为一般情况下,霍尔效应都是磁场诱导的。

换句话说,CsV₃Sb₅在进入超导态之前,就已经是个充满奇怪现象的材料了。

所以,研究人员很早就怀疑,它的超导性不可能是简单的BCS超导(传统的超导机制)。

BCS理论认为,超导态是由电子形成的库珀对(Cooper Pair)构成的,所有电子都会遵循同一个能量分布。然而,CsV₃Sb₅的行为说明,这种材料的超导性很可能是“非传统”的,甚至可能和拓扑物理有关。

为什么要关心这些?

因为非传统超导,往往意味着更好的技术应用前景。

传统超导体的超导性很容易被磁场破坏,导致使用条件极端苛刻。而非传统超导体,例如铁基超导、铜氧化物超导,往往具有更高的临界温度、更复杂的能带结构,甚至可能具备拓扑超导特性。如果真是拓扑超导,那就意味着可以用它来制造容错量子计算——这是当前量子计算领域最重要的方向之一。

而且,这种“多带超导”本身也值得关注。它意味着,我们可以在同一个材料中操控不同的超导态,使其在不同温度、不同磁场下表现出不同的特性。如果能精准控制这些超导带的行为,那就是精确调控超导态的第一步。

现在的问题是,CsV₃Sb₅的配对对称性究竟是什么?

研究人员已经看出它有多重超导间隙,但无法确定这些超导间隙的具体对称性。换句话说,我们还不清楚,这个超导体的电子配对是s波、p波,还是更复杂的d波、f波。如果是p波或d波,那它的超导态很可能和拓扑物理强相关。

目前,理论物理界已经开始盯上这个问题,想弄清楚这个材料的超导机制到底是怎么回事。实验上,后续会有更多的探测手段,比如角分辨光电子能谱(ARPES)、扫描隧道显微镜(STM)等,去直接测量电子的能量分布。

如果这个材料确实是拓扑超导,那我们可能会迎来一个全新的高温超导研究方向。如果不是,那它的“多带超导”机制依然能为理解其他超导材料提供参考。

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老胡懂点星

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