科学家发现“前所未有的新量子态”，为揭开二碲化铀谜团新增一块拼图，助力发现真正意义上的拓扑超导体

“我们利用量子显微镜发现了一个新的拓扑量子态，即在一种新的非常规超导体中也就是二碲化铀（UTe₂）中发现了空间调制超导态。 这种新型超导体或能为量子计算面临的挑战提供解决方案。 ”英国布里斯托大学教授表示。前不久，关于这次成果的相关论文发在 Nature 上。

图 | 王抒秋（来源：）

“这是一个前所未有的新量子态”

超导是一种宏观量子效应, 超导体则是一种神奇的材料，后者具有许多奇特和不寻常的性质。最为人所知的是超导体能让电流零阻力地流动，即便通过超导体传输电流，它们也不会升温。

尽管超导体承载了巨大的电流，但却不会消散任何能量。这是因为并不是单个电子通过金属，而是电子对结合在一起。在这些电子对的作用之下，可以形成宏观的量子力学流体。

经典计算机使用比特来存储和处理信息，量子计算机则依赖量子比特或量子位来执行相同的操作。现有量子计算机面临的问题是：每一个量子比特必须处在一个超级位置。其具有两种不同的能量，就像薛定谔的猫可以被称为“死”和“活”。这种量子状态很容易被破坏，从而导致任何有用的计算都会被切断，故会给量子计算机的应用带来巨大限制。

拓扑超导体，是一种特殊类型的超导体。它里面的电子会以一种特殊的方式配对，故也称之为拓扑配对。这些电子可以在配对中保留自旋，这一点与传统的超导体有着显著不同。因此， 研究拓扑超导体对于理解超导性质、以及开发基于超导体的应用比如量子计算机具有重要意义。

而当电子对拥有相同的自旋方向时，就可以被认为是拓扑超导体，这也是学界公认的观点。 然而，除了氦-3（3He）之外，目前尚无明确的固态拓扑超导体。

尽管二碲化铀的超导序参量依旧处于未知的状态，但是此前有证据表明二碲化铀是一种特殊类型的超导体，可能会对量子计算产生巨大影响。也有大量研究表明，二碲化铀或可作为拓扑量子计算的基础。

在二碲化铀之中，量子位的寿命可能没有限制，这有望为更稳 定和更实用的量子计算机开辟新的途径。目前，公司已经投入数十亿美元研究拓扑量子计算。

由此可见，拓扑量子计算已经成为一个既定的理论学科。二碲化铀这种新奇的物质则是目前希望最大的拓扑超导体候选物。2022 年，美国伊利诺伊大学团队在二碲化铀中发现了一个具有高度异常磁场敏感性的电荷密度波状态。随后，立即有理论物理学家认为这种超导体必定存在电子对密度波序参量，并且它应该是一个自旋三重态电子对密度波。

而的此次发现，为解答二碲化铀的谜团提供了另一块拼图，即她和合作者发现了一种新的现 象——“电子对密度波”，为理解 二碲化铀这种特殊超导体的性质提供了新视角。

研究中，他们使用原子分辨率的扫描约瑟夫森隧道显微镜来观察二碲化铀， 这种显微镜可以非常精确地观察材料的细微结构，甚至可以直接观测超导间隙的空间调制机制。

期间，他们首次检测了电子对密度波的状态，从而对电子对密度波的状态产生直观的了解。随后，他们在二碲化铀中发现三个电子对密度波。

表 示：“我们揭示了它的存在，并且证明二碲化铀是一种自旋三重态超导体，可以说这是一个前所未有的新量子态。”

最终，相关论文以《二碲化铀中一对密度波状态的检测》（）为题发在 Nature 上，美国康奈尔大学的博士后顾强强和约瑟夫 P.卡罗（Joseph P. Carroll）担任共同一作，是共同一作兼共同通讯，牛津大学教授 J. C. 西默斯·戴维斯（）和美国圣母大学教授担任共同通讯作者 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nature）

另据悉，分别在英国牛津大学和美国康奈尔大学完成了这项研究。她说：“这次的跨洲科研是一个独特的知识互补和能力提升的过程。2022 年之前我一直在英国，英国的科研风格是慢工出细活，会尽量把每一个细节做到完美。2022 年我来到美国康奈尔大学，美国的科研风格更加注重团队合作，因此大家可以在短时间内钻研得又深又快。”她说。

正在寻找证明拓扑超导体的直接证据

目前，正在和合作者寻找拓扑表面态，即寻找证明拓扑超导体的直接证据。拓扑表面态是一种特殊的电子状态，它们出现在拓扑超导体的表面或边缘。

拓扑表面态，就像在我们生活中的高速公路。在高速公路上，车辆可以快速且不受阻碍地移动，就好像电子在拓扑超导体的表面上一样。

然而，如果车辆试图驶离高速公路，它就会碰到阻碍，这就好像电子试图进入拓扑超导体的内部一样。

简单来说，拓扑表面态允许电子在物质的表面自由流动，但不允许它们进入物质的内部。

这一特性在许多技术应用中都非常有价值。例如，在电子器件中，拓扑表面态可以用来传输电子， 而不需要担心它们在途中散失或散射，因此这能大大提高电子器件的效率和稳定性。

而拓扑超导体，也将在量子计算领域显示出巨大的潜力。由于电子可以保持自旋，信息可以存储在电子的自旋状态中，这为量子比特或“qubit”提供了一个潜在的物理载体。这是因为在量子计算中，一个量子比特可以同时处于多种状态，而不仅仅是像经典比特那样的 0 或 1 状态。

此外，拓扑超导体具有另一个重要性质即“拓扑保护”，这意味着尽管外部环境可能会对超导体产生影响，但其内部的电子状态也就是存储信息的方式是稳定的，因为它需要一种可以抵抗外部干扰并保持信息稳定的方式，故其能为量子计算提供一种可能的解决方案。这也意味着拓扑超导体或可成为构建更稳定、更高效的量子计算机的关键。

总的来说，拓扑表面态的重要性主要体现在：其具备独特的性质并且具备各种技术应用潜力，包括提高电子器件的性能、以及推动量子计算的发展等。

（来源：Nature）

另外，能够走上量子物理这条研究之路，也和自己的勇气有关。她说自己一直非常喜欢科学和钻研。从职业生涯的开始到走上量子物理，期间拐过两次弯。

本科期间，做过不少扫描电子显微镜实验。她说：“我非常喜欢电镜，因为可以在微观尺度看到很多宏观世界看不到的新奇现象。所以我读博时申请了很多显微镜相关的课题，最后有幸去了牛津大学读博，期间学习扫描隧道显微镜和纳米科学。”

博士毕业的时候，扫描隧道显微镜的泰斗教授加入牛津大学，并要在这里启动新一代量子显微镜实验室。

说：“我对这个机会非常感兴趣，虽然那时自己并不懂量子物理，依旧斗胆申请了这个位置。申请博士后的时候，我又从材料科学转到量子物理，这需要从零开始学习很多凝聚态物理的知识。而从一个空空的房间开始搭建量子显微镜也非常难，需要考虑到每一个细节。所以，我非常感谢教授给‍了我换领域的机会以及他对我的信任。”说。

2020 年新冠疫情期间，努力补习凝聚态物理的基础知识， 同时筹备牛津的量子显微镜的搭建。“期间经历了非常陡峭的学习曲线，所幸所有努力都得到了回报。如今，我也 有了几个重大的科学发现，也搭建了新一代的量子显微镜。正是在这些正向反馈的作用下，让我在量子研究的路上始终可以保持热爱。”最后表示。

目前，已在英国布里斯托大学启动量子材料课题组，正在寻找对量子科学感兴趣的博士生，感兴趣可联系 shuqiucwang@gmail.com

参考资料：

1.Gu, Q., Carroll, J.P., Wang, S.et al. Detection of a pair density wave state in UTe₂. Nature 618, 921–927 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05919-7

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