反铁磁支撑下的奇偶性奇异超导：重费米子金属 YbRh2Si2 的证据

一种奇特金属变成特殊超导体

绝大多数超导体本身就显得非同寻常：在极低温下它们可以无电阻地传导电流。但有一个更为罕见的家族，被称为拓扑超导体，将来可能为鲁棒的量子技术提供构件。在这项研究中，研究者们考察了一种不寻常的重金属化合物 YbRh2Si2，在接近绝对零度的几千分之一开尔文范围内冷却，发现证据表明它承载一种罕见的超导形式，该超导与其内部磁性紧密相连。

为何这种材料不同寻常

YbRh2Si2 属于重费米子金属这一类材料，在这里电子由于强相互作用表现得好像比常态重数百倍。在极低温下，该化合物出现一种脆弱的反铁磁有序——相邻原子磁矩朝相反方向排列。早期测量暗示在这种奇异环境中会出现超导，但促成无电阻电流的配对性质尚不清楚，且超导信号微弱且依赖样品质量。

在超低温下“聆听”电流

为揭示其行为，团队开发了一种超灵敏方法，在低于 10 毫开尔文的温度下测量微小单晶的电响应。他们使用超导量子干涉器件（SQUID）探测复数电阻抗，该量既包含电阻又包含感应效应，并随温度与磁场变化。测量揭示出清晰的边界，样品内的区域在正常态与超导态之间切换，使研究者能够绘制出多个超导态随磁场（磁场可平行于晶面或沿晶轴）变化的分相图。

磁性既是助力又是守门人

所得的相图表明，YbRh2Si2 中的超导仅在材料存在磁性有序时稳定。当主要的反铁磁态（称为 AFM1）被外加磁场破坏时，超导也会突然消失。在更低温度下，出现了第二种磁性格局，涉及电子自旋和核自旋以波状方式排列。惊人的是，这种电子-核自旋密度波的出现会带来超导响应的突增，表现为电子动能电感的下降以及破坏超导所需的场强尺度上升。

对配对类型的线索

通过追踪临界温度随磁场的依赖，研究者能够判断何时超导受电子自旋磁向排列限制（称为 Pauli 极限）。样品中的某些超导区域在晶面内施加磁场时遵循该极限，而另一些区域则远远超出该极限。这种选择性行为强烈暗示 Cooper 对处于自旋三重态，在该态中自旋趋于平行而非相反。场依赖的模式特别指向所谓的螺旋态，这是一种对沿晶轴方向场不敏感但对晶面内场敏感的拓扑超导相。

磁性波如何强化配对

为了解释电子-核磁有序出现时超导突然增强的原因，作者提出螺旋超导态与一种称为配对密度波的伴随格局发生耦合。在该图景中，磁性波衍射电子对，产生一个空间调制的伴随态，从而降低系统能量并实质上扩大超导能隙。晶体中已经存在螺旋态的区域因此被强化，而其它区域恰在电子-核有序出现的温度被触发而进入超导态。

对未来量子材料的意义

综合来看，这些实验提供有力证据表明 YbRh2Si2 承载奇数宇称、自旋三重态超导，其存在与强度受两种交织的反铁磁有序所控制。其中一种超导相的特征符合拓扑螺旋态的描述，与长期研究的超流体 He-3 的相近亲。尽管目前该超导性脆弱且在空间上不均匀，该材料仍提供了一个罕见且可调的试验平台，在这里可以并行研究磁性与拓扑配对，且有望通过改善样品控制在未来成为承载奇异量子态的实用体系。

引用: 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

关键词: 拓扑超导, 自旋三重态配对, 重费米子金属, 反铁磁, 配对密度波