一個(gè)研究小組觀察到了一種罕見(jiàn)的現(xiàn)象，即鈾二碲化物中的重入超導(dǎo)現(xiàn)象。昵稱(chēng)為“拉撒路超導(dǎo)”的現(xiàn)象是，當(dāng)特定狀態(tài)的改變(在這種情況下，施加的磁場(chǎng)非常強(qiáng))時(shí)，當(dāng)超導(dǎo)狀態(tài)出現(xiàn)，分解然后重新出現(xiàn)在材料中時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步推動(dòng)了二碲化鈾在量子計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用前景。

來(lái)自馬里蘭大學(xué)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)，國(guó)家高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室(NHMFL)和牛津大學(xué)的研究人員觀察到一種罕見(jiàn)的現(xiàn)象，即二碲化鈾鈾中的重入超導(dǎo)現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步推動(dòng)了二碲化鈾在量子計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用前景。

從死里復(fù)活的圣經(jīng)人物被昵稱(chēng)為“拉撒路超導(dǎo)”，這種現(xiàn)象在超導(dǎo)狀態(tài)出現(xiàn)，分解然后由于特定參數(shù)的變化而重新出現(xiàn)在材料中時(shí)發(fā)生。在這種情況下，非常強(qiáng)的磁場(chǎng)。研究人員于2019年10月7日在《自然物理學(xué)》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

二碲化鈾曾因其明顯缺乏有趣的物理特性而被物理學(xué)家解雇，但它有其自己的拉撒路時(shí)刻。當(dāng)前的研究是連續(xù)數(shù)月的第二次研究(均由同一研究小組的成員發(fā)表)，以證明材料中異常和令人驚訝的超導(dǎo)狀態(tài)。

UMD物理學(xué)兼職助理教授，NIST中子研究中心的物理學(xué)家Nicholas Butch說(shuō)：“這是一種最近發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體，還具有許多其他非常規(guī)行為，因此已經(jīng)很奇怪了。”“ [Lazarus超導(dǎo)性]幾乎可以肯定與這種材料的新穎性有關(guān)。其中有些事情正在發(fā)生變化。”

先前的研究于2019年8月16日發(fā)表在《科學(xué)》(Science)雜志上，描述了稀有且奇特的基態(tài)，即二碲化鈾中的自旋三重態(tài)超導(dǎo)。該發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著第一個(gè)線索，即二碲化鈾由于其不尋常的物理特性和在量子計(jì)算機(jī)中的巨大應(yīng)用潛力而值得再次關(guān)注。

UMD物理學(xué)教授，UMD納米物理與先進(jìn)材料中心(CNAM;不久將更名為量子材料中心)主任，UMD物理學(xué)教授Johnpierre Paglione說(shuō)：“這確實(shí)是一種了不起的材料，它使我們非常忙碌。”該論文的合著者。“二碲化鈾很可能成為人們幾十年來(lái)一直在尋找的'教科書(shū)'自旋三重超導(dǎo)體，并且可能會(huì)有更多的驚喜。它可能是下一個(gè)釕酸鍶鍶–另一種擬議的自旋三重超導(dǎo)體研究了25年以上。”

超導(dǎo)是一種狀態(tài)，其中電子以最佳效率穿過(guò)材料。相比之下，就電子傳導(dǎo)能力而言，銅(僅次于銀，僅次于銀)在長(zhǎng)距離傳輸線上會(huì)損失大約20%的功率，因?yàn)??電子會(huì)在材料內(nèi)部碰撞。

拉撒路的超導(dǎo)性尤其奇怪，因?yàn)閺?qiáng)磁場(chǎng)通常會(huì)破壞絕大多數(shù)材料中的超導(dǎo)狀態(tài)。然而，在二碲化鈾中，強(qiáng)磁場(chǎng)和特定的實(shí)驗(yàn)條件共同導(dǎo)致拉撒路的超導(dǎo)現(xiàn)象不僅產(chǎn)生一次，而且產(chǎn)生兩次。

對(duì)于Butch，Paglione及其小組來(lái)說(shuō)，在二碲化鈾中發(fā)現(xiàn)這種罕見(jiàn)的超導(dǎo)形式是偶然的。該研究的主要作者CNAM研究助理盛然(Sheng Ran)在試圖生產(chǎn)另一種鈾基化合物時(shí)意外地合成了晶體。研究小組決定無(wú)論如何都要嘗試一些實(shí)驗(yàn)，即使先前對(duì)該化合物的研究并未產(chǎn)生任何異常。

團(tuán)隊(duì)的好奇心很快得到了許多回報(bào)。在早期的《科學(xué)》雜志上，研究人員報(bào)告說(shuō)，二碲化鈾的超導(dǎo)性涉及稱(chēng)為自旋三胞胎的不尋常的電子結(jié)構(gòu)，其中電子對(duì)在同一方向上排列。在絕大多數(shù)超導(dǎo)體中，成對(duì)電子的取向(稱(chēng)為自旋)指向相反的方向。這些對(duì)(有點(diǎn)違反直覺(jué))稱(chēng)為單重態(tài)。磁場(chǎng)可以更容易地破壞單重態(tài)，從而殺死超導(dǎo)性。

但是，自旋三重態(tài)超導(dǎo)體可以承受更高的磁場(chǎng)。該團(tuán)隊(duì)的早期發(fā)現(xiàn)將他們引向了NHMFL，在該實(shí)驗(yàn)室中，超高磁場(chǎng)磁體，強(qiáng)大的儀器和本地專(zhuān)家的獨(dú)特結(jié)合使研究人員能夠進(jìn)一步推壓二碲化鈾。

在實(shí)驗(yàn)室，研究小組在一些可用的最高磁場(chǎng)中測(cè)試了二碲化鈾。通過(guò)將材料暴露于高達(dá)65特斯拉的磁場(chǎng)(強(qiáng)度是典型MRI磁體的30倍以上)，研究小組試圖找到磁場(chǎng)壓碎材料超導(dǎo)性的上限。Butch和他的團(tuán)隊(duì)還嘗試了將二碲化鈾晶體相對(duì)于磁場(chǎng)方向以幾個(gè)不同的角度定向。

在約16特斯拉時(shí)，材料的超導(dǎo)狀態(tài)突然改變。雖然它在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中都消失了，但當(dāng)晶體相對(duì)于磁場(chǎng)以非常特定的角度排列時(shí)，它仍然存在。這種異常行為一直持續(xù)到大約35特斯拉，此時(shí)所有超導(dǎo)性都消失了，電子改變了排列方向，進(jìn)入了新的磁相。

當(dāng)研究人員在繼續(xù)進(jìn)行角度實(shí)驗(yàn)的同時(shí)增加磁場(chǎng)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)晶體的不同取向產(chǎn)生了另一個(gè)超導(dǎo)相，該相至少持續(xù)存在65特斯拉，這是該團(tuán)隊(duì)測(cè)試的最大場(chǎng)強(qiáng)。這是超導(dǎo)體的破紀(jì)錄性能，標(biāo)志著首次在同一化合物中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)場(chǎng)感應(yīng)超導(dǎo)相。

強(qiáng)磁場(chǎng)似乎并沒(méi)有殺死二碲化鈾中的超導(dǎo)性，反而使它穩(wěn)定了。盡管目前尚不清楚原子級(jí)發(fā)生了什么，但是布奇說(shuō)，證據(jù)表明這種現(xiàn)象與科學(xué)家迄今所見(jiàn)的現(xiàn)象根本不同。

布奇說(shuō)：“我將大步向前，說(shuō)這些可能與我們所了解的其他超導(dǎo)體不同-量子力學(xué)上有所不同。”“我認(rèn)為，這將需要一段時(shí)間才能弄清楚發(fā)生了什么。”

Butch補(bǔ)充說(shuō)，在不違反常規(guī)的物理學(xué)基礎(chǔ)上，二碲化鈾顯示出它是拓?fù)涑瑢?dǎo)體的一切跡象，其他自旋三重態(tài)超導(dǎo)體也是如此。它的拓?fù)涮匦员砻鳎赡軙?huì)成為未來(lái)量子計(jì)算機(jī)中特別精確且堅(jiān)固的組件。

NHMFL主任Greg Boebinger說(shuō)：“在創(chuàng)紀(jì)錄的高場(chǎng)發(fā)現(xiàn)這種拉撒路超導(dǎo)性是該實(shí)驗(yàn)室25年以來(lái)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。”“如果揭開(kāi)二碲化鈾的奧秘導(dǎo)致未來(lái)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，我將不會(huì)感到驚訝。”