研究人员发现新型超导体

到目前为止，超导材料的历史一直是两种类型的故事：s波和d波。

现在，康奈尔大学的研究人员--由艺术与科学学院的迪克和戴尔·里斯·约翰逊助理教授布拉德·拉姆肖领导--发现了可能的第三种类型：G波。

他们的论文“Sr2RuO4中双组分超导序参数的热力学证据”发表于9月1日。21岁，攻读自然物理学。主要作者是博士生Sayak Ghosh，M.S.‘19。

超导体中的电子以库珀对的形式一起运动。这种“配对”赋予超导体最著名的特性--没有电阻--因为为了产生电阻，库珀对必须分开，这需要能量。

在s波超导体中，通常是传统的材料，如铅、锡和汞，库珀对由一个向上和一个向下的电子组成，两个电子都朝对方迎面移动，没有净角动量。近几十年来，一类新的奇异材料已经表现出所谓的d波超导电性，即库珀对具有两个量子的角动量。

物理学家在理论上认为，在这两种所谓的“单重态”之间存在第三种超导体：p波超导体，其角动量为1量子，电子与平行自旋(而不是反平行自旋)配对。这种自旋三重态超导体将是量子计算的重大突破，因为它可以用来创造马约拉纳费米子，这是一种独特的粒子，也是它自己的反粒子。

20多年来，p波超导体的主要候选者之一一直是钌酸锶(Sr2RuO4)，尽管最近的研究已经开始对这一想法提出质疑。

拉姆肖和他的团队开始一劳永逸地确定钌酸锶是否是一种非常理想的p波超导体。利用高分辨率共振超声光谱学，他们发现这种材料有可能是一种全新的超导体：G波。

拉姆肖说：“这个实验确实展示了这种我们以前从未想过的新型超导体的可能性。”“它真的为超导体可以是什么以及它如何表现自己打开了可能性的空间。如果我们要控制超导体，并像我们对半导体进行微调控制那样在技术上使用它们，我们真的很想知道它们是如何工作的，它们有哪些品种和口味。“。

与之前的项目一样，Ramshaw和Ghosh使用共振超声波光谱研究了由德国马克斯·普朗克固体化学物理研究所的合作者生长并精密切割的钌酸锶晶体中超导电性的对称性。

然而，与之前的尝试不同，拉姆肖和戈什在尝试进行实验时遇到了一个重大问题。

戈什说：“将共振超声波冷却到1开尔文(零下457.87华氏度)是很困难的，我们必须建造一种全新的设备来实现这一点。”

使用他们的新装置，康奈尔大学的研究小组测量了晶体的弹性常数-本质上是材料中的音速-对各种声波的响应，因为材料在1.4开尔文(零下457华氏度)的超导转变中冷却。

拉姆肖说：“这是迄今为止在这种低温下获得的最高精度的共振超声光谱数据。”

根据数据，他们确定钌酸锶是所谓的双组分超导体，这意味着电子结合在一起的方式是如此复杂，不能用一个数字来描述；它也需要一个方向。

以前的研究已经使用核磁共振(NMR)光谱来缩小Ru酸锶可能是哪种波材料的可能性，有效地消除了p波作为一种选择。

通过确定这种材料是双组分的，拉姆肖的团队不仅证实了这些发现，而且还表明钌酸锶也不是传统的s波或d波超导体。

拉姆肖说：“共振超声确实可以让你进入，即使你不能识别所有的微观细节，你也可以就哪些被排除在外发表大致的声明。”“因此，这些实验唯一与之一致的就是这些以前没有人见过的非常、非常奇怪的东西。其中之一是g波，意思是角动量4，甚至没有人想到会有g波超导体。“。

现在，研究人员可以使用这项技术来检查其他材料，以找出它们是否是潜在的p波候选者。

拉姆肖说：“这种材料在很多不同的背景下都得到了极好的研究，而不仅仅是因为它的超导性。”“我们了解它是什么类型的金属，为什么它是金属，当你改变温度时它会如何表现，当你改变磁场时它会如何表现。因此，你应该能够构建一种理论，解释为什么它在这里成为超导体比在其他任何地方都要好。“。

合著者包括来自马克斯·普朗克固体化学物理研究所、佛罗里达州立大学国家高磁场实验室和日本筑波国家材料科学研究所的研究人员。

康奈尔大学的研究得到了美国能源部基础能源科学办公室和康奈尔材料研究中心的支持，康奈尔材料研究中心得到了国家科学基金会材料研究科学和工程中心计划的支持。