团队展示二碲化铀如何在高磁场中继续超导

超导性在所谓的“传统”超导体中是众所周知的。然而，最近出现的非常规超导体，目前尚不清楚它们是如何工作的。

HZDR 的一个团队与 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一起，现在解释了为什么一种新材料即使在极高的磁场中也能继续超导——这是一种在超强磁场中所缺失的特性。传统超导体。这一发现有可能实现以前难以想象的技术应用。该研究发表在《自然通讯》上。

“二碲化铀，简称 UTe 2 ，是超导材料中的佼佼者，”HZDR 德累斯顿强磁场实验室 (HLD) 的托尼·赫尔姆 (Toni Helm) 博士说道。 “正如 2019 年发现的那样，这种化合物可以无损耗地导电，但其方式与传统超导体不同。”

从那时起，世界各地的研究小组对这种材料产生了兴趣。其中包括 Helm 的团队，他们在了解这种化合物方面又近了一步。

“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，”这位物理学家解释道。 “这种现象是由材料中电子的运动引起的。每当它们与原子碰撞时，它们就会以热量的形式损失能量。这表现为电阻。电子可以通过将自己排列成对的形式来避免这种情况，即所谓的库珀对”。

库珀对描述了两个电子在低温下结合，在没有摩擦的情况下穿过固体。他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。

“然而，多年来，人们也知道超导体中的库珀对是由尚未完全理解的效应形成的，”这位物理学家说。非常规超导的一种可能形式是自旋三重态超导，人们认为它利用了磁涨落。

“还有一些金属的传导电子会聚集在一起，”赫尔姆解释道。 “它们一起可以屏蔽材料的磁性，表现为单个粒子(对于电子而言)具有极高的质量。”

这种超导材料被称为重费米子超导体。因此，正如当前实验表明的那样， UTe 2可能既是自旋三重态又是重费米子超导体。除此之外，它还是重量级世界冠军——迄今为止，没有其他已知的重费米子超导材料能够在类似或更高的磁场下实现。本研究也证实了这一点。

抗磁场能力极强

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，电阻就会降至零，材料就会变得超导。外部磁场也会影响超导性。如果这些超过临界值，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，以开尔文为单位的转变温度值大约是以特斯拉为单位的临界磁场强度值的一到两倍。在自旋三重态超导体中，这个比率通常要高得多。”

通过对重量级 UTe 2 的研究，研究人员现在能够将标准提高得更高：在 1.6 开尔文 (–271.55°C) 的转变温度下，临界磁场强度达到 73 特斯拉，将比率设置为45——这是一个记录。

“到目前为止，重费米子超导体在技术应用中还没有引起人们的兴趣，”这位物理学家解释道。 “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性可以弥补这一缺点。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且仍然能够无损耗地导电的材料将代表着向前迈出的一大步。

对高要求材料的特殊处理

“当然，UTe 2不能用于制造超导电磁体的引线，”Helm 说。 “首先，该材料的特性使其不适合这项工作，其次，它具有放射性。但它非常适合探索自旋三重态超导背后的物理原理。”

根据他们的实验，研究人员开发了一个模型，可以解释超导性，对磁场具有极高的稳定性。为了做到这一点，他们研究了厚度为几微米的样品——仅为人类头发厚度(约 70 微米)的一小部分。因此，样品发出的放射性辐射仍然远低于自然本底的辐射。

为了获得并塑造如此微小的样品，赫尔姆使用了直径仅为几纳米的高精度离子束作为切割工具。 UTe 2是一种空气敏感材料。因此，Helm 在真空中进行样品制备，然后用环氧胶将其密封。

“为了最终证明我们的材料是自旋三重态超导体，我们必须在暴露于强磁场的情况下对其进行光谱检查。然而，当前的光谱方法在 40 特斯拉以上的磁场中仍然举步维艰。与其他团队一起，我们“我们也在致力于开发新技术。最终，这将使我们能够提供明确的证据，”赫尔姆说。