2026年9月9日——金属和传统超导材料对电子对内部状态的控制能力有限，这使得拓扑超导性难以被研究和操控。研究人员如今在K₂Cr₃As₃中识别出三种不同的自旋三重态超导相，并绘制了其配对电子自旋和能隙随温度和磁场变化的图谱。这些发现揭示了一个可用于探索拓扑超导态的可调平台，其中包括可能承载马约拉纳激发、与未来容错量子计算相关的相。

自旋三重态超导体是当今罕见而引人关注的量子材料之一。与传统超导体不同，它们允许电子对保留内部的自旋自由度，从而产生不同的超导态。某些拓扑自旋三重态超导相可以承载马约拉纳激发，这可能为容错量子计算带来应用。然而，识别并控制真正的自旋三重态超导性一直颇具挑战。此前研究的候选材料往往转变温度较低，或存在竞争态，使其本征行为难以理解。

为解决这一难题，日本冈山大学物理系Guo-qing Zheng教授领导的研究团队，包括博士研究生Seiji Ogawa，对铬基超导体K₂Cr₃As₃进行了研究。该材料是一种颇具前景的候选者，其超导转变温度至少为6.2 K，且不存在长程磁有序。研究人员利用⁷⁵As核磁共振技术，包括奈特位移和自旋-晶格弛豫测量，在不同温度和磁场下追踪其磁响应的变化。这些测量使他们能够确定与配对自旋相关的d(k)矢量取向以及超导能隙结构如何变化。该研究于2026年8月19日在线发布，并于2026年8月21日发表在《Physical Review Letters》[New window]第137卷第8期上。

“此前，我们在CuₓBi₂Se₃中发现了一种自旋三重态超导态，但其转变温度Tc较低。在人工结的界面处也可以获得自旋三重态超导态，但那里的超导体积很小，”Zheng教授解释道。“我们的目的是寻找一种具有高Tc的真正体态自旋三重态超导体。”K₂Cr₃As₃提供了这一机会，同时展现出更丰富的超导行为。

测量揭示了三种不同的超导相。在低磁场和接近转变温度的相对较高温度下，K₂Cr₃As₃进入相A，这是一种具有独特配对自旋排列的螺旋态。随着材料进一步冷却，它转变为相B，这是一种手性态，其中d(k)矢量旋转90度，同时配对自旋取向发生变化。两个相的超导能隙中均存在点节点，但不同的自旋构型将它们区分为不同的态。

在更高磁场下，研究人员识别出第三种状态，即相C。在这一相中，研究人员发现了线节点超导能隙的证据，这不同于相A和相B中的点节点能隙。相B与相C之间的转变既涉及d(k)矢量90度的重新取向，也涉及超导能隙结构的变化。在约7 T以下，相边界发生分裂，表明该材料在冷却过程中经历两次连续变化：先是能隙结构的变化，然后是d(k)矢量的重新取向。

“这些结果表明，K₂Cr₃As₃并非简单的一种自旋三重态超导体，”Zheng教授说。“相反，温度和磁场使我们能够在具有不同自旋结构和拓扑性质的不同超导相之间移动。”

这一发现对拓扑量子技术具有重要意义。相B打破了时间反演对称性，类似于超流氦-3 A相，其涡旋核心可能承载马约拉纳激发。相A同样是拓扑的，在足够薄的薄膜中，其边界处可能承载马约拉纳态。这使K₂Cr₃As₃成为探索拓扑量子态及其与未来量子技术潜在关联的平台。

总体而言，这一发现确立了K₂Cr₃As₃作为研究和探索多种自旋三重态与拓扑超导相的罕见体态平台。通过证明磁场和温度可以在三种不同的量子态之间调控该材料，该研究为研究马约拉纳激发提供了一个材料平台，并为未来容错量子计算技术奠定了潜在基础。