奇异粒子的存在-寻求数十年-在新发现的超导体中得到证明

新的测量结果显示了非常规超导体二碲化铀表面上存在外来的马约拉纳粒子的证据。图片由伊利诺伊州量子信息科学技术中心（IQUIST）的常务董事E. Edwards博士提供。

追逐粒子-这是许多物理学家都在玩的游戏。有时，狩猎是在大型超级对撞机内进行的，在那里必须进行壮观的碰撞才能发现隐藏的粒子和新的物理现象。对于研究固体的物理学家来说，游戏发生在截然不同的环境中，而受欢迎的粒子并非来自激烈的碰撞。相反，称为类粒子的类粒子实体是从发生在材料深处的复杂电子相互作用中产生的。有时，准粒子很容易探测，而另一些则更难发现，潜伏在遥不可及的地方。

现在，由物理学家Vidya Madhavan领导的伊利诺伊大学研究人员团队与美国国家标准技术研究所，马里兰大学，波士顿学院和苏黎世联邦理工学院的研究人员合作，已使用高分辨率显微镜工具在不寻常类型的超导体铀二碲化物（UTe2）的内部结构中扮演着同仁的角色。他们的测量结果有力的证据表明，这种材料可能是数十年来一直躲藏在物理学家面前的异质拟粒子的天然归宿。这项研究发表在2020年3月26日的《自然》杂志上。

早在1937年，一位名叫埃托尔·马若拉娜（Ettore Majorana）的意大利物理学家就对这些粒子进行了理论研究，从那时起，物理学家一直在努力证明它们可以存在。科学家认为，一类特殊的称为手性非常规超导体的材料自然可以容纳马约拉纳斯。UTe2可能具有所有合适的属性来生成这些难以捉摸的准粒子。

Madhavan说：“我们了解常规超导体的物理原理，并了解它们如何在没有电阻的情况下从导线的一端传导电子或将电子传输到另一端。”“手性非常规超导体要稀少得多，物理学的鲜为人知。了解它们对于基础物理学很重要，并且在量子计算中具有潜在的应用。”她说。

在正常的超导体内部，电子以允许无损持久电流的方式配对。这与普通导体（如铜线）相反，后者随着电流流过而发热。超导电性背后的理论的一部分是几十年前由一所大学（U.I.）的三位科学家提出的，他们的工作获得了诺贝尔物理学奖。对于这种常规的超导性，磁场是敌人，它们会破坏对，使材料恢复正常。在过去的一年中，研究人员表明二碲化铀的行为有所不同。

2019年，Sheng Ran，Nicholas Butch（均为该研究的共同作者）及其合作者宣布，UTe2在磁场高达65特斯拉的情况下仍保持超导，这比冰箱磁铁强10,000倍。结合其他测量结果，该论文的作者推测电子以一种不寻常的方式配对，从而使它们能够抵抗分裂。配对很重要，因为具有此属性的超导体很可能在表面上具有马约拉纳粒子。Madhavan及其合作者的新研究进一步证明了这一点。

该团队使用一种称为扫描隧道显微镜的高分辨率显微镜来寻找异常电子对和马约拉纳粒子的证据。该显微镜不仅可以将二碲化铀的表面映射到原子水平，还可以探测电子发生的情况。材料本身是银色的，台阶从表面突出。这些阶跃特征是最好地看到马约拉纳准粒子的证据。它们提供了一个干净的边缘，如果预测正确，即使没有施加电压，该边缘也应显示沿一个方向移动的连续电流的特征。研究小组扫描了脚步的两侧，并看到了一个峰值信号。但是峰不同，具体取决于扫描步骤的哪一侧。

“从台阶的两侧看，您会看到一个相互镜像的信号。在普通的超导体中，您找不到它。”马达哈文说。Madhavan说：“看到镜像的最好解释是，我们直接测量了运动的Majorana粒子的存在。”研究小组说，这些测量结果表明，自由移动的马约拉准粒子在一个方向上一起循环，从而产生了镜像或手性信号。

Madhavan说，下一步是进行测量，以确认该材料具有逆时针对称性。这意味着，如果理论上反转了时间箭头，则粒子应以不同的方式运动。这样的研究将为UTe2的手性提供额外的证据。

如果得到证实，铀二碲化物将是唯一的物质，但超流体He-3却被证明是手性非常规超导体。“这是一个巨大的发现，将使我们能够了解这种罕见的超导性，也许，及时地，我们甚至可以以一种对量子信息科学有用的方式操纵马约拉纳准粒子。”

参考：林娇，肖恩·霍华德，盛然，王振宇，豪尔赫·奥利瓦雷斯·罗德里格斯，曼弗雷德·西格里斯特，王自强，尼古拉斯·P·布奇和维迪·马达哈文，“重金属金属UTe2中的手性超导”，Nature.DOI：
10.1038 / s41586-020-2122-2