超声波实验鉴定出新型超导体

康奈尔大学物理研究人员通过微型扬声器发出声音脉冲，阐明了新型超导体的基本性质。

自从大约五年前被发现是一种超导体以来，二碲化铀在量子材料界引起了很大的轰动，也引起了很多混乱，关于其超导特性的真实性质有十多种理论。一些人提出了量子计算的宝贵可能性。

在一项实验中，艺术与科学学院 (A&S) 物理学副教授布拉德·拉姆肖 (Brad Ramshaw) 及其同事利用超声波收集了直接证据，证明二碲化铀具有单组分超导有序参数，从而排除了更奇特的超导体类型对于量子计算来说，这将是一个令人兴奋的消息。但为材料的固有超导性设定数据基线仍然为通过进一步研究发现其他复杂的可能性敞开了大门。

该实验表明，拉姆肖实验室的最新技术发展使得脉冲回波超声波(使用声脉冲来检查量子材料的机械刚度)成为一种值得信赖且理想的检查超导材料的技术。

该研究报告题为“环境压力下UTe 2中的单组分超导性”，发表在《自然·物理学》杂志上。 Ramshaw 是通讯作者，博士生 Florian Theuss 是第一作者。博士生 Avi Shragai 和前博士后研究员 Gael Grissonnanche(现任巴黎理工学院教员)以及来自马里兰大学和威斯康星大学密尔沃基分校的合作者也做出了贡献。

“所有超导体都具有零电阻，但在更微妙的层面上，超导体有不同的风格，”拉姆肖说。 “研究人员对寻找这些不同的味道感兴趣，因为，第一，我们甚至不知道它们是否存在，尽管我们理论上知道它们可能存在。第二，它们可以用于量子计算等技术。你需要新的用于新技术的超导体类型。”

二碲化铀的奇怪特性组合最初表明它可能是这种新型超导体。它的临界温度(转变为超导态之前必须达到的温度)相对较低，约为 2 开尔文。但它的低临界温度与非常高的临界场相匹配——临界场是衡量超导态崩溃之前它能承受多少磁场的指标。

Ramshaw 表示：“我们通常期望它能够承受 1 或 2 特斯拉，但实际上它可以承受 60 特斯拉左右。” “它比你在日常生活中遇到的任何磁场都要强近 100 倍。这告诉我们有一些奇怪的事情，也许它是超导的新形式之一。”

拉姆肖和他的合作者想要找出这种材料是否像一些理论和现有实验所预测的那样具有多组分超导有序参数，从而带来奇异效应;或单组分阶次参数，仍然可能是奇异的，但受到更多限制。

Theuss 领导了一项实验，使用脉冲回波超声波对 1 毫米 x 1 毫米的样品进行实验，以揭示二碲化铀的结构和超导性之间的相互作用。该技术测量声脉冲穿过材料的速度，其原理与医学超声成像相同。不同之处在于，研究人员不是生成图像，而是测量声速，以检测材料冷却到并超过临界温度时刚度的变化。

“我们可以以惊人的精度测量声音回声之间的距离。这就是实验的真正力量，”拉姆肖说。

连接到样品的微型扬声器(换能器)从三个不同的方向将声脉冲直接泵入材料中，测量三个压缩波和三个剪切波——仅存在于固体中的侧向振动。

在临界温度下，压缩波表现出突然下降，声速急剧下降，正如所有超导体所预期的那样。然而，剪切波没有显示出这种下降。

拉姆肖说：“如果这是人们提出的奇异超导类型之一，那么这些剪切波也会有所下降。”

研究人员提供了直接证据表明该材料具有单组分有序参数。然而，这一结论并没有平息人们对二碲化铀超导性的兴奋，二碲化铀有许多有趣的方面值得进一步研究，包括其对磁性的极强排斥力。

拉姆肖说，施加低于临界温度的压力或磁场可能会改变超导性的类型，甚至可能产生难以捉摸的二元自旋三重态超导性。当前的研究提供了一个基于数据的起点。

“这种材料肯定还有更多的内容。我们才刚刚开始，”Theuss 说，他博士期间的大部分时间都在研究二碲化铀。候选资格。 “但如果你想解释这些复杂的事情，你必须从 UTe 2超导性的基本内在事实开始。”