Bewijs voor oneven-pariteits supergeleiding gefundeerd op antiferromagnetisme in het heavy-fermion metaal YbRh2Si2

Een vreemd metaal dat een speciale supergeleider wordt

De meeste supergeleiders klinken al exotisch: ze geleiden elektriciteit zonder weerstand wanneer ze tot zeer lage temperaturen worden gekoeld. Maar een nog zeldzamere familie, bekend als topologische supergeleiders, zou op termijn bouwstenen kunnen leveren voor robuuste quantumtechnologieën. In deze studie onderzoeken onderzoekers een ongewone heavy-metal verbinding, YbRh2Si2, gekoeld tot enkele duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt, en vinden aanwijzingen dat het een zeldzaam soort supergeleiding bevat die nauw verbonden is met zijn interne magnetisme.

Waarom dit materiaal ongewoon is

YbRh2Si2 behoort tot een klasse van materialen die bekendstaan als heavy-fermion metalen, waarin elektronen zich gedragen alsof ze honderden malen zwaarder zijn dan normaal door sterke interacties. Bij zeer lage temperaturen ontwikkelt deze verbinding een fragiele vorm van antiferromagnetisme, waarbij naburige atomaire momenten in tegengestelde richtingen uitlijnen. Eerdere metingen wezen erop dat supergeleiding in deze vreemde omgeving kan optreden, maar de aard van het paar dat het weerstandsvrije stroomtransport mogelijk maakt bleef onduidelijk en de supergeleidende signalen waren zwak en afhankelijk van het monster.

Luisteren naar elektrische stromen bij ultra-lage temperaturen

Om te achterhalen wat er gebeurt, ontwikkelde het team een ultrasensitieve methode om de elektrische respons van kleine enkele kristallen te meten bij temperaturen onder 10 millikelvin. Ze gebruikten een superconducting quantum interference device, of SQUID, om de complexe elektrische impedantie te onderzoeken, die zowel weerstand- als inductieve effecten vastlegt terwijl temperatuur en magnetisch veld worden gevarieerd. Deze metingen onthulden scherpe grenzen waarbinnen regio's binnen elk monster omschakelen tussen normaal en supergeleidend gedrag, waardoor de onderzoekers meerdere supergeleidende toestanden in kaart konden brengen als functie van het aangelegde magnetische veld, hetzij binnen de kristalvlakken of langs de kristal-as.

Magnetisme als zowel helper als poortwachter

De resulterende fasediagrammen tonen aan dat supergeleiding in YbRh2Si2 alleen stabiel is wanneer het materiaal magnetisch geordend is. Wanneer de hoofdansferromagnetische toestand, aangeduid als AFM1, wordt vernietigd door een aangelegd magnetisch veld, verdwijnt de supergeleiding ook abrupt. Bij nog lagere temperaturen verschijnt een tweede magnetisch patroon, dat zowel elektronische als nucleaire spin-orde in een golfachtige structuur omvat. Opmerkelijk genoeg veroorzaakt het ontstaan van deze elektro-nucleaire spin-density-golf een plotselinge versterking van de supergeleidende respons, zichtbaar als een daling in de kinetische inductantie van de elektronen en een verhoging van de veldschaal waarbij supergeleiding wordt vernietigd.

Aanwijzingen voor het type supergeleidende paren

Door te volgen hoe de kritische temperatuur afhangt van het magnetische veld, konden de onderzoekers bepalen wanneer supergeleiding wordt beperkt door de magnetische uitlijning van elektronspins, een beperking die bekendstaat als de Pauli-limiet. Sommige supergeleidende regio's in de monsters volgen deze limiet voor velden die in het vlak van het kristal worden aangelegd, terwijl andere ver daarboven blijven bestaan. Dit selectieve gedrag suggereert sterk dat de Cooper-paren in een spin-triplet toestand verkeren, waarbij spins elkaar uitlijnen in plaats van tegenovergesteld te zijn. Het patroon van veldafhankelijkheid wijst met name op een zogenaamde helische toestand, een soort topologische supergeleidende fase die ongevoelig is voor velden langs de kristal-as maar gevoelig voor velden binnen het vlak.

Hoe een magnetische golf de paren versterkt

Om de plotselinge versterking van supergeleiding bij het optreden van de elektro-nucleaire magnetische ordening te verklaren, stellen de auteurs voor dat de helische supergeleidende toestand koppelt aan een begeleidend patroon dat een pair density wave wordt genoemd. In dit beeld diffracteert de magnetische golf de elektronenparen, waardoor een ruimtelijk gemoduleerde partnertoestand ontstaat die de energie van het systeem verlaagt en effectief de supergeleidende kloof verdiept. Regio's van het kristal die al de helische toestand huisvesten zien deze versterkt, terwijl andere regio's precies bij de temperatuur waarop de elektro-nucleaire ordening zich instelt in supergeleiding worden gekanteld.

Wat dit betekent voor toekomstige quantummaterialen

Alles bij elkaar leveren de experimenten sterk bewijs dat YbRh2Si2 oneven-pariteits, spin-triplet supergeleiding herbergt waarvan het bestaan en de sterkte worden gecontroleerd door twee verstrengelde soorten antiferromagnetische ordening. Een van de supergeleidende fasen past bij het profiel van een topologische helische toestand, een naaste verwant van fasen die al lang in supervloeibaar helium-3 worden bestudeerd. Hoewel de supergeleiding momenteel fragiel en ruimtelijk niet-uniform is, biedt het materiaal een zeldzaam, afstembaar platform waar magnetisme en topologische koppeling zij aan zij bestudeerd kunnen worden, met het vooruitzicht dat verbeterde monstercontrole het op termijn tot een praktisch gastheermateriaal voor exotische quantumtoestanden kan maken.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: topologische supergeleiding, spin-triplet koppeling, heavy-fermion metaal, antiferromagnetisme, pair density wave