Bevis för udda-paritets supraledning underbyggd av antiferromagnetism i tungfermionmetallen YbRh2Si2

En märklig metall som blir en speciell supraledare

De flesta supraledare låter redan exotiska: de leder elektricitet utan motstånd när de kyls till mycket låga temperaturer. Men en ännu mer sällsynt familj, så kallade topologiska supraledare, skulle en dag kunna erbjuda byggstenar för robust kvantteknologi. I denna studie undersöker forskarna en ovanlig tungmetallförening, YbRh2Si2, kyld till några tusendels grad över absoluta nollpunkten, och finner bevis för att den rymmer en sällsynt typ av supraledning som är nära kopplad till dess interna magnetism.

Varför detta material är ovanligt

YbRh2Si2 tillhör en klass material kallade tungfermionmetaller, där elektroner beter sig som om de vore hundratals gånger tyngre än normalt på grund av starka interaktioner. Vid mycket låga temperaturer utvecklar denna förening en ömtålig form av antiferromagnetism, där närliggande atomära magnetmoment riktas åt motsatta håll. Tidigare mätningar antydde att supraledning uppträder i denna märkliga miljö, men vilken typ av parbildning som möjliggör flöde utan resistans förblev oklar och supraledningssignalerna var svaga och provberoende.

Lyssna på elektriska strömmar vid ultralåga temperaturer

För att avslöja vad som händer utvecklade teamet ett ultrasensitivt sätt att mäta den elektriska responsen hos små enkelkristaller vid temperaturer under 10 millikelvin. De använde en supraledande kvantinterferensenhet, en SQUID, för att avkoda den komplexa elektriska impedansen, som fångar både resistiva och induktiva effekter när temperatur och magnetfält varierar. Dessa mätningar avslöjade skarpa gränser där regioner inom varje prov växlar mellan normala och supraledande tillstånd, vilket gjorde det möjligt för forskarna att kartlägga flera supraledande tillstånd som funktion av ett magnetfält applicerat antingen inom kristallplanen eller längs kristallaxeln.

Magnetism som både hjälpare och grindvakt

De resulterande fasdiagrammen visar att supraledningen i YbRh2Si2 endast är stabil när materialet är magnetiskt ordnat. När det huvudsakliga antiferromagnetiska tillståndet, kallat AFM1, förstörs av ett applicerat magnetfält försvinner också supraledningen abrupt. Vid ännu lägre temperaturer framträder ett andra magnetiskt mönster som involverar både elektron- och nukleära spinn ordnade i en vågform. Slående nog ger början av denna elektro‑nukleära spinntäthetsvåg en plötslig förstärkning av den supraledande responsen, synlig som ett fall i elektronernas kinetiska induktans och en ökning av det fältspann där supraledningen bryts ner.

Ledtrådar till typen av supraledande par

Genom att följa hur den kritiska temperaturen beror på magnetfältet kunde forskarna avgöra när supraledningen begränsas av magnetisk inriktning av elektronspinnen, en begränsning känd som Pauli‑gränsen. Vissa supraledande regioner i proverna följer denna gräns för fält applicerade i kristallplanet, medan andra överlever långt bortom den. Detta selektiva beteende tyder starkt på att Cooper‑paren befinner sig i ett spinn‑triplet‑tillstånd, där spinnen är parallellt inriktade snarare än motsatta. Fältberoendemönstret pekar särskilt mot ett så kallat helikalt tillstånd, en slags topologisk supraledande fas som är okänslig för fält längs kristallaxeln men känslig för fält inom planet.

Hur en magnetisk våg stärker paren

För att förklara den plötsliga förstärkningen av supraledningen när den elektro‑nukleära magnetordningen uppträder föreslår författarna att det helikala supraledande tillståndet kopplar till ett följetongsmönster kallat en partikeltäthetsvåg (pair density wave). I denna bild diffrakterar den magnetiska vågen elektronparen och skapar ett rumsligt modulärt partnerskikt som sänker systemets energi och effektivt fördjupar supraledningsgapet. Regioner av kristallen som redan hyser det helikala tillståndet ser detta förstärkt, medan andra regioner svängs över i supraledning exakt vid den temperatur då den elektro‑nukleära ordningen etableras.

Vad detta betyder för framtida kvantmaterial

Tillsammans ger experimenten starka bevis för att YbRh2Si2 rymmer udda‑paritets, spinn‑triplet supraledning vars existens och styrka styrs av två inbördes sammanflätade typer av antiferromagnetisk ordning. En av de supraledande faserna passar profilen för ett topologiskt helikalt tillstånd, en nära släkting till faser som länge studerats i supravätskan helium‑3. Även om supraledningen för närvarande är skör och rumsligt icke‑uniform, erbjuder materialet en sällsynt, ställbar plattform där magnetism och topologisk parbildning kan studeras sida vid sida, med utsikt att förbättrad provkontroll en dag skulle kunna göra det till en praktisk värd för exotiska kvanttillstånd.

Citering: 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

Nyckelord: topologisk supraledning, spinn-triplet parbildning, tungfermionmetall, antiferromagnetism, partikeltäthetsvåg