无故障量子计算的Alist候选者带来了惊喜

　　在橡树岭国家实验室的实验中，一个艺术家对中子撞击超导二碲化铀样品的印象。铀（深灰色）和碲（棕色）晶体被怀疑具有自旋三重态超导电性，这种状态的特征是电子对的自旋指向同一方向（蓝色）。在中子散射实验中，入射的中子通过反向翻转一个自旋（红色）来破坏对，揭示出了对的量子力学状态的证据。图片来源：吉尔·海曼/ORNL
　　赖斯大学领导的一项研究迫使物理学家重新思考铀二碲化物的超导电性，二碲化铀是世界范围内制造容错量子计算机的一流材料。
　　据信，铀二碲化物晶体中含有一种罕见的自旋三重态超导性的形式，但令人费解的实验本周公布的结果在里面自然颠覆了关于物质状态可能在材料中出现。来自赖斯、橡树岭国家实验室、加利福尼亚大学圣地亚哥分校和佛罗里达州立大学国家高磁场实验室的物理学家进行的中子散射实验揭示了反铁磁自旋涨落的迹象，这种涨落与铀二碲化物的超导电性有关。
　　自旋三重态超导电性在固态材料中还没有被观察到，但物理学家长期以来一直怀疑它是由铁磁性的有序态产生的。近年来，寻找自旋三重态材料的竞争日益激烈，因为它们有可能拥有被称为Majorana费米子的难以捉摸的准粒子，可以用来制造无误差的量子计算机。
　　＂人们花费了数十亿美元试图寻找它们，＂赖斯研究报告的合著者戴鹏程在谈到Majorana费米子时说，假想准粒子可以用来制造拓扑量子比特从困扰的问题退相干中解脱出来今天的量子计算机.
　　＂如果你有一个自旋三重态超导体，它有可能被用来制造拓扑量子比特，＂戴说，他是物理学和天文学教授，也是莱斯量子计划的成员。＂自旋单重态超导体是做不到这一点的。因此，人们对它非常感兴趣。＂
　　当电子成对并作为一个整体运动时，就会产生超导性，就像情侣在舞池中旋转一样。电子自然彼此厌恶，但它们回避其他电子的倾向可以被它们对低能量存在的内在渴望所克服。如果配对能让电子达到一种比它们自己更慢的状态，那么只有在极冷的温度下才有可能实现这种状态，那么它们就可以被诱导成对。
　　诱骗是以其物理环境的波动形式出现的。在正常的超导体中，如铅，涨落是超导导线内铅原子晶格中的振动。物理学家们还没有确定在像铀二碲化物这样的材料中引起非常规超导电性的波动。但是几十年的研究已经发现了相位变化的分水岭，电子在配对开始的临界点自动重新排列。
　　在量子力学的方程中，这些自发有序排列被称为序参量的项来表示。自旋三重态这个名字是指在这些有序排列中三种对称性的自发破坏。例如，电子自旋不断地，就像小磁铁棒。一个序参量与它们的自旋轴（想想北极）有关，它指向上或向下。铁磁序是指所有的自旋指向同一个方向，而反铁磁序是指它们以上下、上下的排列方式交替。在仅确认自旋三重态，超流氦-3，order参数包含不少于18个组件。
　　＂所有其他的超导电性都是自旋单线态，＂戴说，他也是赖斯量子材料中心（RCQM）的成员。＂在自旋单线态中，有一个自旋向上，一个自旋向下，如果加上磁场，很容易破坏超导性。＂
　　那是因为磁场推动旋转以沿同一方向对齐。场强越大，推力越大。
　　赖斯大学物理学家（左起）戴鹏程、段春若和司其妙共同撰写了一份研究报告，揭示了铀二碲化物的令人费解的结果，这种材料长期以来被怀疑拥有一种罕见的＂自旋三重态＂超导电性。作者：Jeff Fitlow/莱斯大学
　　＂铀二碲化物的问题是需要销毁的字段＂超导电性是40特斯拉，＂戴说那是巨大的。40年来，人们一直认为这种情况发生的唯一可能是，当你把一个磁场放在一起时，自旋已经朝一个方向排列，这意味着它是一个铁磁体。＂
　　在这项研究中，Dai和Rice的博士后研究助理Duan Chunruo Duan是该研究的主要作者，他与佛罗里达州合作者Ryan Baumbach合作，后者的实验室培育了实验中使用的铀二碲化物的单晶样品，加州大学圣地亚哥分校的合作者Brian Maple，他们的实验室在橡树岭的散裂中子源上测试并准备了用于中子散射实验的样品。
　　当一对中子，以一个特殊的状态，向上翻转。他说：＂它告诉你这对是如何形成的，从这个中子自旋共振中，我们基本上可以确定电子对的能量＂，以及描述这对电子对的量子力学波函数的其他特征。
　　戴相龙说，这一结果有两种可能的解释：要么是铀二碲化物不是自旋三重态超导体，要么是自旋三重态超导性是由反铁磁自旋涨落产生的，这是物理学家们之前没有想到的。戴说几十年了实验证据 指向后者但这似乎违背了关于超导性的传统观点。因此，戴相龙与赖斯的同事齐苗思（qimiaosi）合作，后者是一位理论物理学家，专门研究非常规超导等量子现象。
　　Si是研究的合著者，在过去五年的大部分时间里理论他和前博士共同开发了多轨道配对。学生艾米利安·尼卡解释了矛盾的实验结果在几种非常规超导体中，包括重费米子，包括铀二碲化物。
　　在多轨道配对中，一些原子壳层中的电子比其他原子更容易形成对。Si回忆起当时的想法，铀有可能从七个轨道中的任何一个产生成对电子，有14种可能的状态。
　　他说：＂首先想到的是多轨道。＂如果你只有一个带或一个轨道，这是不可能的，但是轨道给可能的非传统超导体配对带来了一个新的维度。它们就像一个调色板。颜色是内部的量子数，而铀基重费米子材料中的f电子很自然地被设置成具有这些颜色。它们超越＂配对状态周期表＂的新可能性这些新的可能性之一就是自旋三重态配对。＂
　　Si和Nica现在就读于亚利桑那州立大学，他们发现反铁磁关联可以产生看似合理的低能自旋三重态配对态。
　　＂自旋三重态配对态在绝大多数情况下都是极不可能的，因为为了降低它们的能量，对会形成自旋单态。＂。在铀二碲化物中，自旋-轨道耦合可以改变能量格局，使自旋-三重态配对态与自旋-单重态对应态更具竞争力
　　Si是Rice物理和天文学系的Harry C.和Olga K.Wiess教授，RCQM主任。其他合著者还包括橡树岭的安德烈·波德莱斯尼亚克和加州大学圣地亚哥分校的邓玉航、卡米拉·莫伊尔和亚历山大·布莱德尔。