g-波超导体引起关注

当钌酸锶材料冷却到超导过渡温度1.4K时，其晶格通过共振超声谱对各种声波作出反应。康奈尔大学供图。

超导材料传统意义上分为两类：s波和d波。第三种类型是p波，它很早就被预测到了。然而现在，美国、德国和日本的研究人员说，他们可能发现了第四种意想不到的超导体：g波。由于对钌酸锶进行高精度的共振超声谱测量，这一结果为所谓的非常规超导体中的库珀对机制提供新的信息。

在传统的超导体中，电子连接形成库珀对，然后没有任何阻力的在材料中移动。虽然所有已知的超导材料都需要冷却到超低温（或在极端压力下），电子才能以这样的形式运动。但是如果可以在较高温度下进行，那么原则上将能够实现没有热耗散的超高效电网和电路板。

超导有序参数

库珀配对机制源于电子和声子之间的相互作用（材料晶体晶格的振动），并产生一个"超导有序参数"，据说具有 s 波对称性。在这样的s波超导体中，包括铅、锡和汞等材料，库珀对由一个自旋向上的电子和一个自旋向下的电子组成。当这些电子朝对方运动时，它们的凈角动量为零。相比之下，非常规超导体则表现出d波超导性。在这里库珀对中的电子在一个方向上具有正角动量，而在第二个方向上具有负角动量。因此，这些材料的凈角动量为2。

第三种类型的超导体称为p型，据预测，它存在于这些s和d"单"状态之间。p型超导体有一个角动量的量子，它们的电子是平行配对，而不是反平行的自旋配对。这种‘自旋三重态’材料对科研人员来说是很有趣的，因为它们可以用来制造马约拉纳费米子，这是种外来粒子，是它们自己的反粒子。

测量声波的速度

25年以来，p波超导的主要候选材料是钌酸锶（Sr2RuO4）。然而，最近的几项实验对这个假设表示怀疑。为了进一步研究，康奈尔大学的Brad Ramshaw领导的研究人员将Sr2RuO4晶体冷却到1.4K的超导温度，然后让声波在晶体中传播。通过测量晶体的弹性常数对声波的反应，他们能够确定声音的速度如何随着温度变化而变化。

虽然这种高分辨率的共振超声谱技术以前也使用过，但以前从未在如此低温下尝试过。这意味着研究人员必须制造一个全新的仪器。Ramshaw 说：“这是迄今为止在这些低温下获得的最高精度的共振超声谱数据。”

双组分超导体

这些实验产生的数据表明，Sr2RuO4是一个‘双组分’超导体，这意味着电子配对的方式不能用简单的数字来描述。相反，描述还必须包括一个值，表示电子配对的方向。这种行为与p波超导性不一致，事实上以前使用核磁共振（NMR）谱的研究同样表明Sr2RuO4不是p波超导体。

康奈尔大学的研究人员现在印证了这些发现，但他们还更进一步表明Sr2RuO4实际上完全是另外一种类型：g波超导体。这意味着它有与 s或 d 波材料完全不同的角动量类型。Ramshaw 解释道：“共振超声的确可以引导我们深入研究。即使你无法确定所有微观细节，你也可以大致判断那些可以被排除掉。所以最后与实验唯一符合的材料是这些非常，非常奇怪的现象，以前从来没有人见过。其中一个是g波，这意味着角动量4。以前从来没有人想过会有一个g波超导体。”

构建一个更好的理论

研究人员说，接下来他们计划继续寻找其它候选材料的p波超导性。但是，他们也将继续研究Sr2RuO4。Ramshaw说：“这种材料在很多不同的背景下都被研究过，不仅仅是因为它的超导性。我们研究了它是什么类型的金属，为什么它是金属，当改变温度时它的反应以及当改变磁场时它的反应。因此，我们能够构建一个理论解释，为什么在这里它会成为一个更好的超导体？

这个小组包括来自德国Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids、佛罗里达州立大学National High Magnetic Field Laboratory和日本National Institute for Materials Science in Tsukuba的研究人员，他们的研究发表在《Nature Physics》上。