Доказательства нечетной по паритету сверхпроводимости, обусловленной антиферромагнетизмом, в тяжеловесном металле YbRh2Si2

Странный металл, превращающийся в особый сверхпроводник

Большинство сверхпроводников и без того кажутся экзотичными: они проводят электричество без сопротивления при охлаждении до очень низких температур. Но ещё более редкая группа, называемая топологическими сверхпроводниками, потенциально может стать основой для надёжных квантовых технологий. В этой работе исследователи изучают необычное соединение тяжёлого металла YbRh2Si2, охлаждённое до нескольких тысячных долей градуса над абсолютным нулём, и находят доказательства того, что оно содержит редкий тип сверхпроводимости, тесно связанный с внутренней магнитной структурой.

Почему этот материал необычен

YbRh2Si2 принадлежит к классу материалов, известных как тяжеловесные фермионы, где электроны ведут себя так, как будто они в сотни раз тяжелее обычных из‑за сильных взаимодействий. При очень низких температурах это соединение развивает деликатную форму антиферромагнетизма, при которой соседние атомные моменты выстраиваются в противоположных направлениях. Предыдущие измерения намекали, что в этом странном окружении возникает сверхпроводимость, но характер спаривания, обеспечивающего протекание тока без сопротивления, оставался неясен, а сигналы сверхпроводимости были слабыми и зависели от образца.

«Прослушивание» электрических токов при ультранизких температурах

Чтобы выяснить происходящее, команда разработала ультрачувствительный метод измерения электрического отклика крошечных монокристаллов при температурах ниже 10 милликелвин. Они использовали сверхпроводящий интерферометр (SQUID) для исследования комплексного электрического импеданса, который захватывает и сопротивление, и индуктивные эффекты при изменении температуры и магнитного поля. Эти измерения выявили резкие границы, где в пределах каждого образца области переключаются между нормальным и сверхпроводящим состояниями, что позволило исследователям построить несколько сверхпроводящих состояний как функцию магнитного поля, приложенного либо в плоскости кристалла, либо вдоль кристаллической оси.

Магнетизм как помощник и воротарь

Полученные диаграммы состояний показывают, что сверхпроводимость в YbRh2Si2 устойчива только при наличии магнитного порядка в материале. Когда основное антиферромагнитное состояние, названное AFM1, разрушается прикладываемым магнитным полем, сверхпроводимость также внезапно исчезает. При ещё более низких температурах появляется вторая магнитная структура, включающая как электронные, так и ядерные спины, устроенные в виде волны. Поразительно, что появление этой электронно-ядерной волновой плотности спинов вызывает резкое усиление сверхпроводящего отклика, что наблюдается как падение кинетической индуктивности электронов и повышение шкалы поля, при которой разрушается сверхпроводимость.

Подсказки о типе сверхпроводящих пар

Отслеживая зависимость критической температуры от магнитного поля, исследователи могли определить, когда сверхпроводимость ограничивается магнитным выравниванием спинов электронов, ограничением, известным как предел Паули. Некоторые сверхпроводящие области в образцах следуют этому пределу для полей, приложенных в плоскости кристалла, в то время как другие выживают далеко за его пределами. Такое выборочное поведение сильно указывает на то, что куперовские пары находятся в спин-триплетном состоянии, при котором спины выстраиваются параллельно, а не антипараллельно. Зависимость от направления поля особенно указывает на так называемое спиральное (гели-кальное) состояние, тип топологической сверхпроводящей фазы, нечувствительной к полям вдоль кристаллической оси, но чувствительной к полям в плоскости.

Как магнитная волна укрепляет пары

Чтобы объяснить внезапное усиление сверхпроводимости при появлении электронно-ядерного магнитного порядка, авторы предлагают, что спиральное сверхпроводящее состояние сцепляется с сопряжённым состоянием, называемым парно-волновой плотностью (pair density wave). В этой картине магнитная волна дифрагирует электронные пары, создавая пространственно модулированное компаньонное состояние, которое понижает энергию системы и фактически углубляет сверхпроводящий разрыв. Участки кристалла, которые уже содержат спиральное состояние, видят его усиленным, в то время как другие области переходят в сверхпроводящее состояние точно при температуре, где устанавливается электронно-ядерный порядок.

Что это означает для будущих квантовых материалов

В совокупности эксперименты дают сильные доказательства того, что YbRh2Si2 содержит сверхпроводимость нечетного паритета, спин-триплетного типа, существование и сила которой контролируются двумя переплетёнными типами антиферромагнитного порядка. Одна из сверхпроводящих фаз соответствует профилю топологического спирального состояния, близкого родственника фаз, давно изучаемых в сверхтекучем гелии-3. Хотя сверхпроводимость сейчас хрупка и пространственно неоднородна, материал представляет редкую настраиваемую платформу, где магнетизм и топологическое спаривание могут изучаться бок о бок, с перспективой того, что улучшение контроля над образцами однажды сделает его практическим носителем экзотических квантовых состояний.

Цитирование: 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

Ключевые слова: топологическая сверхпроводимость, спин-триплетное спаривание, тяжеловесный металл, антиферромагнетизм, парная волновая плотность