我們知道超導現象最具代表性的特徵是「零電阻」與「完全抗磁性」，然而科學家近日發現二碲化鈾於極強磁場條件出現超導現象，形成與磁場方向相關的甜甜圈形光環，該行為超出傳統理論預期，揭示磁場與超導之間可能存在更複雜相互作用。
當超導材料冷卻到臨界溫度以下、變成超導體那一瞬間，它會主動將內部所有磁場「踢出去」，表面則瞬間產生極強感應電流，這股電流會製造方向完全相反的磁場徹底推開外部磁力線，形成與同極相斥不同、而是對任何磁場都排斥的「完美抗磁性」，該現象稱為邁斯納效應（Meissner effect）。
但超導體與磁場其實是相愛相殺的關係，雖然超導體排斥磁場，但超導是極脆弱量子狀態，它們「很怕」超強磁場，一旦外界磁場強到超過極限（稱為臨界磁場），磁場就會暴力入侵超導體使超導狀態瞬間崩潰，材料也立刻變回有電阻的普通金屬，就像護衛擋不住大量暴民衝破防線。
就超導態破壞方式而言，超導體可分為兩類：
第一類超導體（通常是純金屬）只要遇上強一點的磁場就潰堤，因此又稱軟超導體，科學家認為不太實用。
後來科學家發現第二類超導體，又稱為硬超導體，合金材料、高溫超導體（如：銅氧化物超導體、鐵基超導體）都屬於第二類超導體，它們面對磁場有一套「妥協」措施，當外部磁場突破第一道臨界防線滲透進入超導體內部，滲透的磁場會以渦旋形式存在，渦旋中心失去超導性，但超導體其餘部分依然處於超導態。
隨著磁場增加、渦旋半徑逐漸增大，當磁場強到突破第二道臨界防線，超導體整體內部都被磁場滲透，超導態才會被完全破壞變回一般材料。
具 2 種超導相的二碲化鈾材料
2019 年，科學家發現重費米子材料二碲化鈾（uranium ditelluride，化學式：UTe2）超導性在低於 10T（傳統標準已認為屬於極強磁場）時才消失，出乎意料的是當磁場強度超過約 40T，二碲化鈾超導性又重新出現。
現在萊斯大學研究人員確定二碲化鈾，於 40T 強磁場重新出現的超導相，會形成環繞晶體特定軸的甜甜圈狀光環，明顯依賴磁場相對於晶體結構的角度。
為解釋觀察結果，研究人員開發採用現象學框架的理論模型，對束縛電子成庫珀對的作用力做出最少量假設，關鍵在庫柏對攜帶類似經典力學中陀螺自旋的內在角動量，而磁場會與這種角動量交互作用，進而產生一種方向相依性，成功重現實驗觀測到的暈環圖樣。
該研究釐清磁場方向如何影響二碲化鈾超導性，強調 metamagnetic 相變——磁化強度突然增加對材料超導性的影響。
新論文發表在《科學》（Science）期刊。
（首圖來源：AI 生成）
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