由美国莱斯大学领导的一项研究迫使物理学家重新思考二碲化铀的超导性，二碲化铀是全球制造容错量子计算机竞赛中的一流材料。二碲化铀晶体被认为拥有一种罕见的被称为“自旋三重态”的超导形式，但最近发表在《自然》杂志上的一项研究结果推翻了关于物质状态如何在材料中产生的主流解释。

莱斯大学、橡树岭国家实验室、加州大学圣地亚哥分校和佛罗里达州立大学国家高磁场实验室的物理学家进行的中子散射实验揭示了反铁磁自旋涨落的迹象，他们表明这种涨落与二碲化铀中的超导电性耦合。

人们尚未在固态材料中观察到自旋三重态超导性，但物理学家长期以来一直怀疑它源于铁磁性的有序状态。近年来，寻找自旋三重态材料的竞赛已经升温，因为它们有可能承载一种被称为马约拉纳费米子的准粒子，这种准粒子性质难以捉摸，但科学家认为它可用于制造无错误的量子计算机。

莱斯大学该研究的合著者Pengcheng Dai谈到马约拉纳费米子时说：“人们已经花费了数十亿美元试图寻找它们”。这是一种假设的准粒子，可用于制造拓扑量子比特以摆脱困扰当今量子计算机中量子比特的退相干问题。

Dai是莱斯大学物理学和天文学教授、莱斯大学量子计划的成员，他说：“如果你有一个自旋三重态的超导体，它有可能被用来制造拓扑量子比特，而且你不可能用自旋单重态超导体来做到这一点。所以，这就是人们对此非常感兴趣的原因。”

Dai教授说道：“在自旋单重态中，你有一个向上自旋和一个向下自旋，如果你给它加上一个磁场，会很容易破坏超导性。”那是因为磁场推动自旋朝同一方向上对齐，磁场越强则推力越强。他接着说：“二碲化铀的问题是，它破坏超导性所需的磁场是40特斯拉。这是巨大的数字。40年来，人们认为发生这种情况的唯一可能性是当你放置一个磁场时，自旋已经在一个方向上对齐，这意味着它是一种铁磁体。”

在这项研究中，Dai教授和莱斯大学博士后研究助理、该研究的第一作者Chunruo Duan与佛罗里达州立大学的合著者Ryan Baumbach合作，在实验室培养了实验中使用的二碲化铀的单晶样品。以及与加州大学圣地亚哥分校的合著者Brian Maple在橡树岭的散裂中子源测试并准备了用于中子散射实验的样品。

Dai教授表示，中子的作用是带来特定的能量和动量，它可以将库珀对自旋从向上状态翻转到向下状态。它告诉了这些电子对是如何形成的。从这个中子自旋共振中，基本上可以确定电子对的能量，并且能描述该电子对的量子力学波函数的其他特征。

Dai教授说，对这一结果有两种可能的解释：要么二碲化铀不是自旋三重态超导体，要么自旋三重态超导性以物理学家以前从未想象过的方式由反铁磁自旋涨落产生。他说，几十年的实验证据都指向了后者，但这似乎违反了关于超导的传统观点。因此，Dai教授与莱斯大学的同事Qimiao Si合作，后者是一位理论物理学家，专门研究非常规超导等新兴量子现象。

Qimiao Si与他的前博士生Emilian Nica在过去五年的大部分时间里都在共同开发一种多轨道配对理论。它解释了几种非常规超导体中会相互矛盾的实验结果，其中就包括重费米子超导体，而它则包含了二碲化铀。

在多轨道配对理论中，某些原子壳中的电子比其他原子壳中的电子更有可能形成对。Si回忆说，铀有可能从具有14种可能状态的七个轨道中的任何一个轨道贡献成对电子。

他说：“首先想到的是多轨道，如果你只有一个带或一个轨道，那是不可能的，但轨道为可能的非常规超导体配对带来了新的维度。它们就像调色板。颜色是内部量子数，铀基重费米子材料中的f电子自然的形成了这些颜色。它们带来了超越‘配对状态周期表’的新可能性。这些新的可能性之一是自旋三重态配对。”

Si和Nica的研究表明，反铁磁相关性可能会产生合理的、低能量的自旋三重态配对状态。Si说：“在绝大多数情况下，自旋三重态配对状态是极不可能的，因为为了降低它们的能量会配对形成自旋单重态。在二碲化铀中，自旋轨道耦合可以改变能量分布，这使自旋三重态配对态与自旋单重态配对态相比要更具竞争力。”（编译:Qtech）