物理学家为异乎寻常的超导状态提供了新的证据

超导的离散带一张
图描绘了聚集在离散带中的不成对的自旋电子。

布朗大学领导的一项新发表的研究揭示了超导体处于强磁场中时可能出现的奇特超导状态的新证据。

罗德岛普罗维登斯（布朗大学）—超导体和磁场通常不会相处。但是由布朗大学物理学家领导的一个研究小组已经为奇异的超导状态提供了新的证据，这种超导状态是在半个世纪之前首次预测的，当超导体暴露于强磁场中时，的确可能会出现这种情况。

领导这项工作的布朗大学物理学副教授维斯纳·米特罗维奇（Vesna Mitrovic）说：“花了50年时间证明这种现象确实发生了。”“我们已经确定了这种奇特的量子态的微观性质。”

该研究发表在《自然物理学》上。

超导性（无电阻传导电流的能力）取决于被称为库珀对的电子二重体的形成（以布朗大学物理学家莱昂·库珀的名字命名，他获得了诺贝尔奖，以鉴定这种现象）。在普通导体中，电子在材料的结构中发出嘎嘎声，从而产生电阻。但是库珀夫妇以一致的方式运动，以防止他们四处晃动，使他们旅行时不受阻力。

磁场是库珀对的敌人。为了形成一对，电子在物理学家称之为自旋的性质中必须是相反的。通常，每次旋转时，超导材料的电子数量大致相等，因此几乎所有电子都有一个舞伴。但是强磁场会使“自旋向下”的电子翻转为“自旋向上”，使材料中的自旋总数不相等。

米特罗维奇说：“问题是，当一个自旋比另一个自旋具有更多的电子时，会发生什么。”“没有配对的人会发生什么？我们真的可以那样形成超导状态吗？那个状态看起来像什么？”

1964年，物理学家预测超导性确实可以在磁场中的某些类型的材料中持续存在。预测是，不成对的电子将在超导材料上以不连续的带或条聚集在一起。这些带将正常导通，而其余材料将超导。这种调制的超导状态被称为FFLO相，以理论家彼得·福尔德，理查德·费雷尔，阿纳托利·拉金和尤里·奥夫钦尼科的名字命名，他们预测了它的存在。

为了研究这种现象，Mitrovic和她的团队使用了一种有机超导体，其名称俗κ称“-（BEDT-TTF）2Cu（NCS）2”。该材料由彼此堆叠的超薄板组成，正是预测显示出FFLO状态的材料。

在对材料施加强磁场之后，来自格勒诺布尔的法国国家高磁场实验室的Mitrovic及其合作者使用核磁共振（NMR）探测了其性能。

他们发现了整个材料中未成对的自旋电子聚集的区域。米特罗维奇说，这些“极化的”电子的行为就像“被限制在盒子里的小颗粒一样”，它们形成了所谓的安德列夫束缚态。

米特罗维奇说：“这些束缚态的显着之处在于它们使超电流能够通过非超导区域传输。”“因此，在这种特殊的超导状态下，电流可以无阻地流过整个材料。”

实验人员多年来一直在尝试提供FFLO状态存在的确凿证据，但收效甚微。Mitrovic和她的同事采取了一些违反直觉的措施来得出他们的发现。具体来说，他们在比量子实验所期望的温度高得多的温度下探测了他们的材料。

米特罗维奇说：“通常观察量子态时要尽可能冷，以限制热运动。”“但是，通过提高温度，我们增加了NMR探针的能量窗口，以检测所需的状态。那是一个突破。”

根据Mitrovic的说法，对电子自旋总数不相等时会发生什么的新理解可能会产生超导以外的影响。

这可能有助于天体物理学家了解脉冲星。脉冲星是一种密集的中子星，据信既具有超导性，也具有强磁场。它也可能与自旋电子学领域有关，自旋电子学是基于电子自旋而不是电荷运行的设备，由分层铁磁超导结构制成。

“这确实超出了超导性的问题，”米特罗维奇说。“它对解释宇宙中的许多其他事物具有影响，例如稠密夸克的行为，组成原子核的粒子。”

这项研究得到了法国ANR（授权：06-BLAN-0111），Euro-MagNET II网络（欧盟合同号228043）以及格勒诺布尔约瑟夫·富里耶大学的访问学者计划的支持。

出版物：H. Mayaffre等人，“-（BEDT-TTF）2Cu（NCS）2中FFLO相的特征是Andreev束缚态的证据”，《自然物理学》（2014κ年）； doi：10.1038 / nphys3121

图像：布朗大学