Magnetic signatures of pressure-induced multicomponent superconductivity in UTe$_2$

通过追踪压力下的磁化率，本研究揭示了 UTe$_2$ 中一个以伦敦穿透深度阶跃变化为特征的独特低温超导转变，为多分量超导性和一种独特的高压超导态提供了直接证据。

要点

想象一下一种被称为 UTe₂（二碲化铀）的材料，它就像一座微小的、神奇的城市。在这里，电子通常表现得像是一群混乱的人群。然而，在特定条件下，这群人会突然组织起来，进行一场完美的、无摩擦的舞蹈，这种舞蹈被称为超导。在这种状态下，电流可以无电阻地流动，就像一条永远不会减速的河流。

长期以来，科学家们知道这座城市有一个“主舞池”（一种被称为 SC1 的超导态）。但是，他们怀疑如果用力挤压这座城市（施加压力），可能会出现第二个秘密的舞池（SC2）。

这篇论文就像是一个侦探故事，研究人员通过使用一种特殊的“磁性照相机”来观察当他们挤压这座城市时，内部发生了什么。

双重转变之谜

通常，当一种材料进入超导状态时，它会做一件事：它会突然阻止磁场进入内部。想象一下，人群突然建立起了一道巨大的、无形的力场，将磁体推开。

• 低压下（“轻微”挤压）： 城市只建立了一次这种力场。这是一个单一且剧烈的事件。所有人同时跳入舞蹈。
• 高压下（“重度”挤压）： 研究人员观察到了奇怪的现象。这座城市不仅建立了一道力场，而是建立了两道。
  1. 首先，在较高的温度下，城市开始组织起来（状态 SC2）。
  2. 然后，随着温度进一步降低，又发生了另外一件事情。力场的性质再次发生了变化（状态 SC1）。

这就像舞者们开始跳华尔兹，然后，在音乐不停歇的情况下，他们突然切换到了一种完全不同的、更复杂的探戈。

他们是如何观察到的（“磁性照相机”）

科学家们无法用显微镜直接观察晶体内部。相反，他们测量了磁化率。

想象一下，材料中的电子就像微小的磁铁。当材料变成超导体时，这些微小磁铁会以一种排斥外部磁场的方式排列。

• 类比： 把材料想象成一块海绵。在正常状态下，它吸收磁场。当它变成超导体时，它会将“水”（磁场）推出去。
• 发现： 研究人员注意到，在高压下，这块“海绵”并不仅仅是推开一次水。它先将水推开，然后在更低的温度下，它以一种不同或更强的方式再次将水推开。

这第二次“推力”就是关键证据。它证明了电子改变了它们的内部排列方式。它们不仅仅是跳舞的方式变了，它们甚至改变了跳舞的规则本身。

“伦敦穿透深度”（趋肤深度）

论文提到了一个技术术语，叫做伦敦穿透深度。让我们来简化一下。

想象磁场试图潜入超导体内部。它无法到达中心，但它可以沿着材料的“皮肤”或外层蜿蜒进入。

• 类比： 把超导体想象成一座堡垒。磁场是一个试图攀爬城墙的入侵者。
  • 在第一种状态（SC2）下，城墙很厚，入侵者只能爬上去一小段。
  • 在第二种状态（SC1）下，城墙的质感发生了变化。入侵者要么爬得更高或更低，要么城墙的纹理完全改变了。

研究人员看到，在第二次转变时，这种“攀爬深度”发生了突变。这种变化是序参数（描述电子如何配对的数学规则书）发生了改变的直接证据。这不仅仅是一个微小的调整，而是一种基础性的转变。

城市的地图

论文绘制了一张地图（相图），展示了这种材料的行为：

• 低压： 只存在一种超导态。
• 中压： 存在两个超导态。材料随着冷却过程从“高温”状态向“低温”状态转变。
• 极高压： 超导性完全消失，材料变成了具有磁性的非超导状态（就像城市变成了一块坚硬、静止的岩石）。

核心结论

主要的结论是，UTe₂ 是一种“多组分”超导体。

把它想象成一个音乐和弦。大多数超导体只演奏一个音符（简单的电子配对）。但 UTe₂ 在被挤压时，似乎在演奏一个复杂的和弦，其中不同部分的电子对在跳着不同的节奏。

这篇论文证实了：

1. 该材料在压力下确实存在两个截然不同的超导态。
2. 它们之间的转变是电子物理性质的真实改变，而不仅仅是测量误差。
3. 这表明，这种材料中电子配对的“规则”比之前认为的要灵活且复杂得多，可能涉及不同类型的电子配对的混合（多组分超导性）。

简而言之，通过挤压这种重费米子晶体，研究人员发现了电子舞蹈中隐藏的一层复杂性，揭示了此前仅被猜测过的第二个截然不同的超导态。

技术摘要

问题与背景
重费米子化合物 UTe$_2$ 展示了包含多种超导态的复杂相图，其中一些状态表现出奇量配对（odd-parity pairing）的特征。虽然在磁场诱导下已确立了不同超导相（SC1、SC2 和 SC3）之间的转变，但压力诱导相图的性质仍是一个研究课题。此前对化学气相输运（CVT）生长样品进行的比热测量表明，在高压下存在第二个较低温度的热力学相变，暗示存在多分量序参量。然而，通过熔盐助熔剂（MSF）法生长的优质样品在常压下通常只显示单个尖锐的转变，而压力下观察到的第二个转变的物理起源——即它代表一个独特的热力学态还是某种次级效应——仍需进一步澄清。

方法论
作者利用交流磁化率（$\chi$）测量技术，研究了高质量 MSF 生长的 UTe$_2$ 单晶在压力下的超导转变特性。实验在莫桑石砧压（MACs）中进行，使用甘油作为压力介质，从而实现了低至 0.35 K 的温度访问。该装置利用沿晶体 $c$ 方向排列的微型线圈，用于测量薄片状样品的磁响应。为了确保所观察到的特征属于体相热力学现象，作者将 $\chi(T)$ 数据与在活塞缸压力室（PCC）中进行的类似压力下样品的比热（$C_p$）和电阻率（$\rho$）测量进行了对比。

关键结果

1. 第二转变的出现： 在低压（$< 0.3$ GPa）下，观察到单个尖锐的超导转变。在较高压力（$p > 0.3$ GPa）下，在较低温度（$T_{c1}$）处，磁化率数据中出现了第二个明显的异常，而主转变发生在较高的温度。
2. 与热力学的相关性： $\chi(T)$ 中的两个异常直接对应于此前在比热（$C_p/T$）测量和电阻率数据中观察到的两个异常。这证实了该低温特征是一个体相热力学相变。
3. 伦敦穿透深度异常： 作者将磁化率在 $T_{c1}$ 处的第二次下降归因于伦敦穿透深度（$\lambda$）的阶跃变化。由于样品尺寸较小（半径 $R \approx 50$ $\mu$m）以及测量几何结构的原因，磁化率信号与穿透深度成比例。观察到的异常表明，在进入低温态时，$\lambda$ 进一步减小，这为超导序参量的变化提供了直接证据。
4. 相图构建： 本研究绘制了零磁场下的 $T$-$p$ 相图。研究确定了在 $p > 0.3$ GPa 以上存在两个超导态（SC1 和 SC2）共存的区域。超导电性在临界压力 $p_c \approx 1.46$ GPa 处突然消失，该压力点与反铁磁序的出现相吻合。
5. 样品质量依赖性： 本研究中使用的 MSF 生长样品在 $T_{c1}$ 和 $T_{c2}$ 方面均表现出系统性高于 CVT 生长样品的转变温度，凸显了相图对样品质量的敏感性。

意义与主张
本文提供了直接的实验证据，证明 UTe$_2$ 中的低温高压超导态与零压下的超导态以及高压下的高温超导态是截然不同的。在这些状态之间观察到的伦敦穿透深度的阶跃变化，是超导序参量发生变化的特征信号。

作者认为，热力学约束要求在高压下必须存在一个独特的相（在他们的示意图中标记为 SC1'），用以分隔低温和高温超导态。这种分离的可能性暗示了 UTe$_2$ 中存在多分量超导电性，这可能源于多种序参量的结合。这项工作将常压下由磁场诱导的 SC2 态（观测于 $B \parallel b$ 时）与压力下的高温态联系起来，表明它们具有相同的奇量超导态。这些发现为通过深入研究穿透深度以及 SC1' 相的性质，以全面解析序参量的对称性提供了方向。