Dowody na nieparzystą nadprzewodność wspieraną antyferromagnetyzmem w ciężkofemionowym metalu YbRh2Si2

Dziwny metal, który staje się szczególnym nadprzewodnikiem

Większość nadprzewodników już brzmi egzotycznie: przewodzą prąd bez oporu po schłodzeniu do bardzo niskich temperatur. Jeszcze rzadsza rodzina, nazywana nadprzewodnikami topologicznymi, może w przyszłości dostarczyć elementów dla odpornych technologii kwantowych. W tym badaniu naukowcy badają nietypowy związek ciężkiego metalu, YbRh2Si2, schłodzony do kilku tysięcznych stopnia powyżej zera bezwzględnego, i znajdują dowody, że tworzy on rzadki rodzaj nadprzewodnictwa ściśle powiązany z jego wewnętrznym magnetyzmem.

Dlaczego ten materiał jest niezwykły

YbRh2Si2 należy do klasy materiałów zwanych metalami ciężkich fermionów, w których elektrony zachowują się, jakby były setki razy cięższe niż zwykle z powodu silnych oddziaływań. W bardzo niskich temperaturach związek ten rozwija delikatną formę antyferromagnetyzmu, w której sąsiednie momenty atomowe ustawiają się w przeciwnych kierunkach. Wcześniejsze pomiary sugerowały, że w tym dziwnym środowisku pojawia się nadprzewodnictwo, ale charakter parowania odpowiedzialnego za przepływ prądu bez oporu pozostawał niejasny, a sygnały nadprzewodzące były słabe i zależne od próbki.

Słuchając prądów elektrycznych w ultraniskich temperaturach

Aby odkryć, co się dzieje, zespół opracował ultrasensytywną metodę pomiaru odpowiedzi elektrycznej małych pojedynczych kryształów w temperaturach poniżej 10 milikelwinów. Użyli nadprzewodzącego urządzenia interferencyjnego kwantowego (SQUID) do badania złożonej impedancji elektrycznej, która uwzględnia zarówno opór, jak i efekty indukcyjne przy zmiennej temperaturze i polu magnetycznym. Pomiary te ujawniły ostre granice, gdzie regiony wewnątrz każdej próbki przełączają się między stanem normalnym a nadprzewodzącym, co pozwoliło badaczom naszkicować wiele stanów nadprzewodzących w funkcji pola magnetycznego przykładane-go albo w płaszczyźnie kryształu, albo wzdłuż osi kryształu.

Magnetyzm jako pomocnik i strażnik bramy

Otrzymane diagramy faz pokazują, że nadprzewodnictwo w YbRh2Si2 jest stabilne tylko wtedy, gdy materiał jest uporządkowany magnetycznie. Kiedy główny stan antyferromagnetyczny, nazwany AFM1, zostaje zniszczony przez przyłożone pole magnetyczne, nadprzewodnictwo również gwałtownie zanika. W jeszcze niższych temperaturach pojawia się drugi wzorzec magnetyczny, obejmujący zarówno elektroniczne, jak i jądrowe spiny ustawione w falowy sposób. Co uderzające, pojawienie się tej elektro‑jądrowej fali gęstości spinowej powoduje nagłe wzmocnienie odpowiedzi nadprzewodzącej, widoczne jako spadek indukcyjności kinetycznej elektronów i wzrost skali pola, przy którym nadprzewodnictwo zostaje zniszczone.

Wskazówki dotyczące typu par nadprzewodzących

Śledząc, jak temperatura krytyczna zależy od pola magnetycznego, badacze mogli ustalić, kiedy nadprzewodnictwo jest ograniczone przez ustawienie spinów elektronów, ograniczenie znane jako limit Paula. Niektóre obszary nadprzewodzące w próbkach podążają za tym limitem dla pól przyłożonych w płaszczyźnie kryształu, podczas gdy inne przetrwają daleko poza nim. To selektywne zachowanie silnie sugeruje, że pary Coopera znajdują się w stanie spin‑potrójnym, gdzie spiny ustawiają się zgodnie zamiast przeciwnie do siebie. Wzorzec zależności od pola wskazuje szczególnie na tzw. stan spiralny (helical), rodzaj topologicznej fazy nadprzewodzącej, który jest odporny na pola wzdłuż osi kryształu, ale wrażliwy na pola w płaszczyźnie.

Jak falowy magnetyzm wzmacnia pary

Aby wyjaśnić nagłe wzmocnienie nadprzewodnictwa wraz z pojawieniem się elektro‑jądrowego porządku magnetycznego, autorzy proponują, że spiralny stan nadprzewodzący sprzęga się z towarzyszącym wzorcem zwanym falą gęstości par. W tym obrazie fala magnetyczna dyfraktuje pary elektronowe, tworząc przestrzennie modulowany stan partnerski, który obniża energię układu i skutecznie pogłębia szczelinę nadprzewodzącą. Regiony kryształu, które już gościły stan spiralny, obserwują jego wzmocnienie, podczas gdy inne regiony zostają wprawione w nadprzewodnictwo dokładnie w temperaturze, w której pojawia się elektro‑jądrowy porządek.

Co to oznacza dla przyszłych materiałów kwantowych

W sumie eksperymenty dostarczają mocnych dowodów, że YbRh2Si2 gości nadprzewodnictwo o nieparzystej parzystości, spin‑potrójne, którego istnienie i siła są kontrolowane przez dwa splecione typy porządku antyferromagnetycznego. Jedna z faz nadprzewodzących odpowiada profilowi topologicznego stanu spiralnego, bliskiego kuzynowi faz długo badanych w nadpłynie helu‑3. Chociaż nadprzewodnictwo jest obecnie kruche i przestrzennie niejednorodne, materiał oferuje rzadką, regulowaną platformę, gdzie magnetyzm i topologiczne parowanie można badać obok siebie, z perspektywą, że lepsza kontrola próbek mogłaby pewnego dnia uczynić go praktycznym gospodarzem egzotycznych stanów kwantowych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: nadprzewodnictwo topologiczne, sprzężenie spin‑potrójne, metal ciężkich fermionów, antyferromagnetyzm, fala gęstości par