新型超導材料「二碲化鈾」突破：發現全新量子物質態

科學家在「二碲化鈾」這種新型且不尋常的超導體發現新晶體超導態，這種神奇材料能製造極其強大的磁鐵，或許還可成為下一代量子運算基礎。

二碲化鈾（Uranium Ditelluride，化學式：UTe2）是無機化合物，也是 2018 年發現的非常規超導體，有兩種超導相。

根據 BCS 超導理論，當電子克服相互排斥力形成所謂的「庫柏對」，就可像超流體在材料中不受阻礙傳播，這些庫柏對的波函數有三種可能對稱類型：s 波、d 波、p 波。

s 波超導體包括傳統超導體（即遵守 BCS 理論），如鉛、錫、汞，這些材料每個庫柏對由一個自旋向上的電子和一個自旋向下的電子組成，當電子正面朝彼此移動，淨自旋角動量為零。

d 波超導體出現在非常規（非 BCS）高溫超導體，如氧化銅，這些材料的電子也形成庫柏對，其中一個電子向上自旋，另一個電子向下自旋，每對電子的淨自旋角動量也為零，但這些庫柏對的軌道角動量不為零。

p 波超導體最獨特，庫柏對波函數具奇性宇稱，代表兩個電子都向上自旋或向下自旋（兩個電子自旋方向相同），即每對電子都是採用自旋三重態的拓樸超導體，邊緣具不尋常狀態，因此引起相當程度關注。

只不過科學家對拓樸超導體深入研究已 10 年之久，除了超流體 3He，還沒有任何材料明確認為是奇宇稱、自旋三重態超導體，倒是奇異的二碲化鈾成為此分類極具前景的候選材料。

2021 年，理論物理學家開始提出二碲化鈾實際處於對密度波（pair-density wave，PDW）狀態，而非傳統超導流體；簡單來說，PDW 就像超導體的電子對呈現靜止舞蹈，但在整個空間形成週期性晶體圖案。

最近，牛津大學與康乃爾大學團隊使用掃描隧道顯微鏡分析二碲化鈾，成功在二碲化鈾發現一些電子對形成 PDW 晶體結構，也可說發現一種全新量子物質態──由自旋三重態庫柏對組成的 PDW。

之前團隊就曾在 s 波超導體和 d 波超導體觀察到 PDW，最新結果顯示 PDW 狀態對所有類型庫柏對都通用。

研究人員表示，二碲化鈾可能帶來更穩定、更實用的量子電腦，對凝聚態物理、量子運算、自旋電子學領域等產生重大影響。

新論文發表於《自然》（Nature）期刊。