2026年4月28日 —— 材料UTe₂展现出多种形式的零电阻现象（即超导电性），并呈现出若干令人困惑的特性。在某一特定磁场下失去超导电性后，它会在更高磁场下重新进入超导状态。奥地利科学技术研究所（ISTA）的研究人员利用一种新型高场测量技术，在《自然·通讯》上发表论文，解释了这种不寻常的超导行为。该团队的方法现已被全球多个高场实验室采用。

量子材料展现出奇特的特性，使其在下一代技术中具有重要应用前景。部分研究量子材料的科学家致力于揭示特定特性以用于靶向应用（如量子计算），而另一些研究人员则受好奇心驱动，探索尚未出现在教科书中的知识。这类知识可能需要数年甚至数十年才能得以应用，但发现与理解的过程本身便蕴含着价值。

一种挑战科学家教科书式理解的材料是二碲化铀，它于2019年被发现。二碲化铀（又称UTe₂）是一种超导体——即允许电流无阻力流动的材料。然而，并非所有超导体都相同：有些，如UTe₂，被称为“非常规超导体”。但即便在这一类别中，UTe₂似乎也自成一类，它在较低磁场下失去原始超导电性后，会在极高磁场下出现一种隐藏的零电阻态。奥地利科学技术研究所助理教授金伯利·莫迪克（以下均为音译）表示：“似乎每次对UTe₂的测量都会揭开另一个谜团。我们的工作现在为其中一些谜团背后的机制提供了证据。”在她的团队中，博士生瓦莱斯卡·赞布拉领导开发了一种探测UTe₂困惑行为的新方法，该方法已引起全球高场科学家的兴趣。

一种材料能有多非常规？

传统超导体仅在极低温度下进入超导态，通常会在磁场中失去零电阻态。而UTe₂则在超导性于约10特斯拉消失后，于40至70特斯拉的极端磁场下重新进入超导态。作为对比，1特斯拉的磁场强度足以在废车场中吊起一辆汽车。

传统超导体在如此低温下如何产生超导性已得到充分理解：材料结构中的振动导致电子配对，形成无阻力流动的电子对。然而，这一机制无法解释UTe₂这类非常规超导体的行为。莫迪克说：“到目前为止，研究人员假设非常规超导体中的超导性背后必然存在磁性因素。”事实上，与UTe₂相关的两种非常规超导体UCoGe和URhGe本身就是磁性材料。因此，这些材料有理由成为超导体。“但关键在于UTe₂并非磁性材料。所以乍一看，这种材料为何表现出如此特殊的超导态并不明显。”

在UTe₂目前已发现的三种不同零电阻态中，“重入超导性”现象——即超导性在极端磁场下重新出现——最令研究人员困惑。此外，这种状态仅当磁场在晶体中以特定方向取向时存在，且温度低于外太空。莫迪克说：“尽管存在其他非常规超导体，但UTe₂几乎让“非常规”这个词听起来像是轻描淡写。”

轻微震动开启材料内部的新世界

为了更好地理解这种独特超导性如何在UTe₂中产生，该团队试图研究重入超导性出现附近的条件——即材料在高磁场下成为超导体之前的情况。在脉冲磁场设施中，研究人员可以对样品施加极短的极端磁场脉冲，磁场在十分之一秒内（相当于眨眼的速度）从0特斯拉升至60特斯拉再降回。研究人员的目的是什么？探究这种状态是否源于材料中的磁涨落——这一现象理论上或许能解释高场超导性。

虽然极端条件能让奇特量子材料展现其怪异特性，但理解这些特性的产生通常需要一点“推动”。赞布拉说：“该团队设计了一种方法，通过给样品施加受控的抖动，在极端磁场下对其进行探测。”她进一步解释道：“该工作将样品置于悬臂（一种棒状结构）上，以便在磁场中操控和震动它。从晶体的角度看，震动使得磁场方向随时间振荡，从而能在变化磁场下快速检测磁化强度。这使得研究人员能够测量一种名为“横向磁化率”的重要特性，这是此前无人能在这些条件下测量的。”

赞布拉和莫迪克解释说，利用这项技术，该团队在UTe₂中发现了一个大面积横向磁化率区域，它很可能充当材料电子之间的“胶水”，为在如此高磁场下出现超导性提供了理由。

高场设施采用ISTA技术

该团队强调了该方法对于剖析这种奇特量子材料特性的重要性。事实上，研究人员使用的样品比沙粒还小，从而能够测量无缺陷的材料片段。该团队擅长制作如此微小尺度的样品，并具备独特能力来控制这些微小样品如何融入实验。莫迪克说：“测量大约与人发厚度相当的微小样品尤其具有挑战性，但这正是该团队专攻的方向。虽然许多技术只能应用于较大的晶体，但瓦莱斯卡的方法——在ISTA团队中开发——具有额外优势，它也能在高磁场下工作，而高磁场下可用的技术工具本就非常有限。因此，高场设施已联系瓦莱斯卡，希望合作在其设施中进一步推广这项技术。”

赞布拉和莫迪克强调了他们研究的基础性方面，认为在探索潜在应用之前，需要充分理解这些新物质态。赞布拉说：“科学家往往在数年或数十年后才意识到新发现的实用性。一个多世纪前超导电性的偶然发现，最终催生了医学成像技术MRI。”莫迪克总结道：“该工作可能正在观察一种全新的超导性，而研究人员尚未想象出它的应用。它将来会对某些事情有用吗？该工作不知道。但这是一个谜，而谜团值得去追寻。”