ראיות לסופרמוליכות אי-זוגיות המחוזקת על-ידי אנטיפרומגנטיות במתכת כבדה YbRh2Si2

מתכת משונה שהופכת לסופרמוליך מיוחד

רוב הסופרמוליכים נשמעים כבר ייחודיים: הם מוליכים חשמל ללא התנגדות כאשר מקוררים לטמפרטורות נמוכות מאוד. אבל משפחה עוד יותר נדירה, המכונה סופרמוליכים טופולוגיים, עשויה בעתיד לספק אבני בניין לטכנולוגיות קוונטיות חסינות. בעבודה זו החוקרים חקרו תרכובת מתכת כבדה יוצאת דופן, YbRh2Si2, מקוררת למעט אלפי חלקי מעלה מעל אפס מוחלט, ומצאו ראיות שהיא מאכלסת סוג נדיר של סופרמוליכות שקשור באופן הדוק למגנטיות הפנימית שלה.

מדוע החומר הזה יוצא דופן

YbRh2Si2 שייכת למחלקת חומרי המתכות הכבדות, שבה האלקטרונים מתנהגים כאילו הם מאות פעמים כבדים יותר מהרגיל בגלל אינטראקציות חזקות. בטמפרטורות נמוכות מאוד, תרכובת זו מפתחת צורה עדינה של אנטיפרומגנטיות, שבה מומנטים אטומיים שכנים מסתדרים בכיוונים מנוגדים. מדידות קודמות רמזו שסופרמוליכות מופיעה בסביבה המשונה הזו, אך טבע הקישור שמאפשר זרימה ללא התנגדות נותר לא ברור, והאותות הסופרמוליכיים היו חלשים ותלויי מדגם.

להאזין לזרמי חשמל בטמפרטורות אולטרה-נמוכות

כדי לחשוף מה קורה, הקבוצה פיתחה שיטה רגישת-יתר למדידת התגובה החשמלית של גבישים יחידים זעירים בטמפרטורות מתחת ל-10 מיליקלווין. הם השתמשו במכשיר התערבות קוונטי-סופר-מוליך, SQUID, כדי לחקור את האימפדנס החשמלי המורכב, הכולל גם התנגדות וגם השפעות אינדוקטיביות כאשר הטמפרטורה והשדה המגנטי משתנים. מדידות אלה חשפו גבולות חדים שבהם אזורים בתוך כל מדגם עוברים ממצב נורמלי למצב סופרמוליך, מה שאיפשר לחוקרים למפות מספר מצבי סופרמוליכות כפונקציה של שדה מגנטי המיושם בתוך מישורי הגביש או לאורך ציר הגביש.

המגנטיות כמסייעת ושומרת סף

דיאגרמות הפאזות שהתגלו מראות שסופרמוליכות ב-YbRh2Si2 יציבה אך ורק כאשר החומר במצב סדר מגנטי. כאשר מצב האנטיפרומגנטיות העיקרי, הנקרא AFM1, נהרס על-ידי שדה מגנטי יישומתי, הסופרמוליכות נעלמת גם היא באופן פתאומי. בטמפרטורות אפילו נמוכות יותר מופיעה תבנית מגנטית שנייה, הכוללת גם ספינים אלקטרוניים וגם גרעיניים הסדורים בדפוס גל. באופן בולט, הופעת גל צפיפות הספין האלקטרו-גרעיני מייצרת חיזוק פתאומי בתגובה הסופרמוליכית, הנראה כירידה באינדוקטיביות הקינטית של האלקטרונים ועלייה בסולם השדה שבו הסופרמוליכות נהרסת.

רמזים לסוג זוגות הסופרמוליכים

על-ידי מעקב אחרי התלות של טמפרטורת הקריטית בשדה המגנטי, החוקרים יכלו לקבוע מתי הסופרמוליכות מוגבלת על-ידי יישור מגנטי של ספיני האלקטרונים — הגבלה הידועה כגבול פאולי. כמה אזורים סופרמוליכיים במדגמים נצמדים לגבול זה כאשר השדות מיושמים במישור הגביש, בעוד שאחרים שורדים הרבה מעבר לו. התנהגות סלקטיבית זו מרמזת בחוזקה שמחזורי קופר נמצאים במצב ספין-טריפלט, שבו הספינים מיושרים במקום להיות מנוגדים זה לזה. הדפוס של תלות בשדה מצביע במיוחד על מצב הנקרא הליקלי, סוג של פאזה סופרמוליכית טופולוגית החסינה לשדות לאורך ציר הגביש אך רגישת לשדות בתוך המישור.

כיצד גל מגנטי מחזק את הזוגות

כדי להסביר את החיזוק הפתאומי של הסופרמוליכות כאשר מופיע הסדר האלקטרו-גרעיני, המחברים מציעים שמצב הסופרמוליכות ההליקלי מקשר לתבנית מלווה הנקראת גל צפיפות זוגית. בתמונה זו, הגל המגנטי מפזר את זוגות האלקטרונים, ויוצר מצב שותף המודולציית מרחבית שמוריד את אנרגיית המערכת ומעמיק אפקטיבית את הרוחק הסופרמוליכי. אזורים בגביש שכבר מארחים את המצב ההליקלי רואים אותו מחוזק, בעוד אזורים אחרים מועברים לסופרמוליכות בדיוק בטמפרטורה שבה מתייצב הסדר האלקטרו-גרעיני.

מה המשמעות לחומרי קוונטום עתידיים

במכלול, הניסויים מספקים ראיה חזקה ש-YbRh2Si2 מאכלסת סופרמוליכות אי-זוגית, ספין-טריפלטית, שקיומה ועוצמתה נשלטים על-ידי שני סוגים משולבים של סדר אנטיפרומגנטי. אחת מפאזות הסופרמוליכות מתאימה לפרופיל של מצב הליקלי טופולוגי, קרובה לקרוביה של פאזות שנחקרו זמן רב בסופרנוזי הליום-3. למרות שהסופרמוליכות ידועה כיום כעדינה ולא אחידה מרחבית, החומר מספק פלטפורמה נדירה וברת כוונון שבה ניתן לחקור יחד מגנטיות וקישוריות טופולוגית, עם הפוטנציאל ששיפור בשליטת הדגימות יום אחד יהפוך אותו למארח מעשי עבור מצבים קוונטיים אקזוטיים.

ציטוט: Levitin, L.V., Knapp, J., Knappová, P. et al. Evidence for odd-parity superconductivity underpinned by antiferromagnetism in heavy-fermion metal YbRh₂Si₂. Nat. Phys. 22, 713–719 (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03247-x

מילות מפתח: סופרמוליכות טופולוגית, קישוריות ספין-טריפלט, מתכת כבדה, אנטיפרומגנטיות, גל צפיפות זוגית