粒子追逐這是很多物理學家都在玩的游戲，有時，搜尋工作在大型對撞機內(nèi)進行，在那里，需要壯觀的高能碰撞來發(fā)現(xiàn)新粒子和新物理學。

對于研究固體的物理學家來說，這場游戲發(fā)生在一個非常不同的環(huán)境中，而這些受追捧的粒子，并不是來自激烈的碰撞。取而代之的是，類粒子實體，稱為準粒子，從發(fā)生在材料深處的復雜電子相互作用中出現(xiàn)。

有時準粒子很容易探測，但其他粒子則更難發(fā)現(xiàn)，它們就潛伏在觸手可及的地方。新的測量表明，在非傳統(tǒng)超導體二碲化鈾的表面，存在奇異的馬約拉納粒子。現(xiàn)在，由物理學家Vidya Madhavan領導的伊利諾伊大學一組研究人員與來自國家標準與技術研究所、馬里蘭大學、波士頓學院和蘇黎世理工大學的研究人員合作，使用高分辨率顯微鏡工具觀察了一種不尋常類型的超導體-二碲化鈾(UTe2)內(nèi)部工作原理。

研究測量揭示了強有力的證據(jù)，表明這種材料可能是一種奇異準粒子的天然家園，這種粒子幾十年來一直隱藏在物理學家面前，其研究成果發(fā)表在《自然》期刊上。早在1937年，意大利物理學家埃托雷·馬約拉納(Ettore Majorana)就對這些粒子進行了理論推導，從那時起，物理學家就一直在試圖證明它們是可以存在的?？茖W家們認為，一類特殊被稱為手性非傳統(tǒng)超導體的材料可能天然地擁有馬約拉納粒子。

超導體-二碲化鈾可能具有產(chǎn)生這些難以捉摸的準粒子的所有正確性質(zhì)。科學家現(xiàn)在知道傳統(tǒng)超導體的物理原理，并了解它們?nèi)绾卧跊]有電阻的情況下，將電流或電子從導線的一端傳輸?shù)搅硪欢?。手性非傳統(tǒng)超導體要罕見得多，其物理知識也不那么為人所知。了解它們對基礎物理很重要，在量子計算中有潛在的應用。在正常超導體內(nèi)部，電子以一種方式配對，從而實現(xiàn)讓電毫無損失地流過電網(wǎng)。這與普通導體(如銅線)不同，銅線在電流通過時會升溫。

超導性背后的部分理論是幾十年前由伊利諾伊大學三名科學家提出，他們的研究工作獲得了諾貝爾物理學獎。對于這種傳統(tǒng)的超導性，磁場是敵人，它會破壞兩個對，使材料恢復正常。在過去的一年里，研究人員表明，二碲化鈾的行為有所不同。此前的研究表明：超導體-二碲化鈾(UTe2)在磁場高達65特斯拉的情況下仍然保持超導，這大約是冰箱磁鐵的1萬倍。這一非常規(guī)的行為，結合其測量結果，研究人員推測，電子以一種不尋常的方式配對，使它們能夠抵抗分離。

配對很重要，因為具有這種性質(zhì)的超導體表面很可能有馬約拉納粒子。研究小組使用了一種名為掃描隧道顯微鏡的高分辨率顯微鏡，尋找不尋常的電子配對和馬約拉納粒子的證據(jù)。這臺顯微鏡不僅可以繪制出原子級別的鈾碲化物表面圖，還可以探測電子的情況。材料本身是銀色的，臺階從表面突出。這些階梯特征是馬約拉納類粒子證據(jù)最明顯的地方。它們提供了一個干凈的邊緣，如果預測是正確的，即使沒有施加電壓：

它們也應該顯示出朝一個方向移動的連續(xù)電流特征。研究小組掃描了臺階的兩側，發(fā)現(xiàn)了一個帶有峰值的信號。但峰值是不同的，這取決于掃描的是臺階的哪一邊?？粗_階的兩邊，你會看到一個信號是彼此的鏡像，在正常的超導體中，找不到這一點?？吹界R面圖像的最好解釋是，研究正在直接測量運動中馬約拉納粒子的存在。測量結果表明，自由運動的馬約拉納準粒子在一個方向上一起循環(huán)，產(chǎn)生鏡像信號或手性信號。

研究的下一步是進行測量，以確認該材料已經(jīng)打破了時間反轉對稱性。這意味著如果時間箭頭理論上顛倒了，粒子的運動應該會有所不同，這樣的研究將為超導體-二碲化鈾(UTe2)的手性性質(zhì)提供額外證據(jù)。如果得到證實，二碲化鈾將是除He-3超流體外唯一被證實為手性非常規(guī)超導體的材料。這是一個巨大的發(fā)現(xiàn)，將使科學家能夠理解這種罕見的超導特性，也許假以時日，甚至可以以一種對量子信息科學有用的方式操縱馬約拉納準粒子。

博科園｜研究/來自：伊利諾伊大學厄本那-香檳分校

參考期刊《自然》

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