科学家确定的新型超导体

该图显示了钌酸锶的晶格，它响应于共振超声光谱发送的各种声波，因为该材料在1.4开尔文（负457华氏度）下通过其超导转变而冷却。突出显示的变形表明该材料可能是新型的超导体。

到目前为止，超导材料的历史一直是两种类型的故事：s波和d波。

现在，康奈尔大学的研究人员-由文理学院的迪克和戴尔·里斯·约翰逊（Dick＆Dale Reis Johnson）助理教授布拉德·拉姆肖（Brad Ramshaw）领导的研究人员，发现了一种可能的第三种类型：g波。

他们的论文“ Sr2RuO4中两组分超导阶参数的热力学证据”于2020年9月21日在《自然物理学》上发表。主要作者是医学博士Sayak Ghosh。’19.

超导体中的电子以称为库珀对的形式一起移动。这种“成对”赋予超导体最著名的特性-无电阻-因为要产生电阻，必须将库珀对分开，这会消耗能量。

在s波超导体中（通常是常规材料，例如铅，锡和汞），库珀对由一个指向上方和指向下方的电子组成，它们彼此正面朝上移动，而没有净角动量。近几十年来，一类新型的外来材料展现了所谓的d波超导性，其中库珀对具有两个角动量量子。

物理学家已经在这两个所谓的“单态”状态之间理论上存在第三种超导体：一种具有角动量量子的p波超导体，并且电子以平行而非反平行的方式配对。这种自旋三重态超导体将是量子计算的重大突破，因为它可用于制造马约拉纳费米子，这是一个独特的粒子，它是自己的反粒子。

20多年来，p波超导体的主要候选材料之一是钌酸锶（Sr2RuO4），尽管最近­的研究已经开始使这一想法陷入困境。

Ramshaw和他的团队一劳永逸地确定了钌酸锶是否是非常需要的p波超导体。他们使用高分辨率共振超声光谱法，发现该材料可能完全是一种全新的超导体：g波。

拉姆肖说：“这项实验确实表明了我们从未想过的这种新型超导体的可能性。”“它的确为超导体可以成为什么样以及如何表现出自身开辟了可能性的空间。如果我们要掌握控制超导体并在半导体中进行微调控制的技术中使用它们，我们真的很想知道它们的工作原理以及它们的品种和风味。”

与以前的项目一样，Ramshaw和Ghosh使用共振超声光谱法研究了钌的锶酸锶晶体的超导性，该晶体是由德国马克斯·普朗克固体化学物理研究所的合作者生长并精确切割的。

但是，与以前的尝试不同，Ramshaw和Ghosh在尝试进行实验时遇到了一个重大问题。

戈什说：“将共振超声冷却到1开尔文（华氏457.87度）是困难的，我们必须制造一种全新的仪器来实现这一目标。”

通过新的设置，康奈尔团队测量了晶体的弹性常数（实质上是材料中的声速）对各种声波的响应，因为材料在1.4开尔文（负457华氏度）的超导转变中冷却了。

拉姆肖说：“这是迄今为止在这种低温下获得的最高精度的共振超声光谱数据。”

根据这些数据，他们确定了钌酸锶是所谓的两组分超导体，这意味着电子结合在一起的方式是如此复杂，无法用单个数字来描述。它也需要一个方向。

先前的研究使用核磁共振（NMR）光谱来缩小钌酸锶是哪种波材料的可能性，从而有效地消除了p波的选择。

通过确定这种材料是两种成分，Ramshaw的团队不仅证实了这些发现，而且还证明了钌酸锶也不是传统的s波或d波超导体。

Ramshaw说：“共振超声确实可以让您进入，即使您无法识别所有微观细节，也可以对排除哪些细节做出广泛的陈述。”“因此，这些实验唯一符合的是这些非常，非常怪异的东西，这是以前从未见过的。其中之一是g波，这意味着角动量为4。没有人甚至没有想到会有一个g波超导体。”

现在，研究人员可以使用该技术检查其他材料，以确定它们是否是潜在的p波候选者。

但是，钌酸锶的工作尚未完成。

拉姆肖说：“在许多不同的背景下，对这种材料都进行了很好的研究，而不仅仅是其超导性。”“我们了解它是哪种金属，为什么是金属，当您改变温度时其行为，当您改变磁场时其行为。因此，您应该能够构建一种理论，说明为什么它在这里比在其他任何地方都可以成为更好的超导体。”

参考：Sayak Ghosh，Arkady Shekhter，F。Jerzembeck，N.Kikugawa，Dmitry A. Sokolov，Manuel Brando，AP Mackenzie，Clifford W. Hicks和BJ Ramshaw于9月21日发表了“ Sr2RuO4中两组分超导阶参数的热力学证据”。 2020年，自然物理学。
10.1038 / s41567-020-1032-4

合著者包括马克斯·普朗克固体化学物理研究所的研究人员；佛罗里达州立大学国家高磁场实验室；以及日本筑波的国立材料科学研究所。

康奈尔大学的研究得到了美国能源部基础能源科学办公室和康奈尔大学材料研究中心的支持，康奈尔大学材料研究中心得到了美国国家科学基金会的材料研究科学与工程中心计划的支持。