科学家们通过观察二碲化铀晶体内不寻常的电荷波，为理解超导性做出了重大贡献。"万物有其位，万物各得其所"--认识秩序或无序有助于我们理解自然。动物往往很容易分门别类： 哺乳动物、鸟类、爬行动物、斧头鱼等等。分类也适用于材料： 绝缘体、半导体、导体，甚至超导体。一种材料在等级体系中的具体位置取决于电子、原子及其周围环境之间看似无形的相互作用。
研究人员在二碲化铀晶体中发现了不寻常的电荷波。这些电荷波与晶体超导性的一个新方面有关。在康奈尔大学后续研究的支持下，研究小组的观测结果和由此产生的模型凸显了量子粒子复杂而令人惊讶的行为，并极大地促进了人们对超导性的理解。资料来源：艾米丽-爱德华兹
环境对材料特性的影响
然而，与动物分类不同，材料类别之间的界限并不那么明显。改变材料的环境可以促使其在不同类别之间转换。例如，降低温度可以将某些材料转化为超导体，而引入磁场则可以逆转这种效果。即使在同一类别中，也会出现不同类型的秩序或阶段。虽然肉眼无法看到纳米尺度上的这些变化，但科学家们利用先进的成像工具来观察所发生的一切。有时，他们会遇到意想不到的惊人行为。
物理学教授维迪娅-马达曼（Vidya Madhavan）说："新物质相的发现是物理学中的圣杯之一，常常会让人兴奋不已，因为它可以改变我们的思维和观察方式，甚至改变我们对量子粒子行为的理解。"
二碲化铀晶体内的异常波浪
在 Madhavan 的带领下，来自伊利诺伊大学、马里兰大学、华盛顿大学和美国国家标准与技术研究院的研究人员现在看到了二碲化铀（UTe2）晶体内不寻常的电荷波。研究小组的理论家们建立了一个模型，将实验观测结果与该晶体不同寻常的超导性的一个以前从未见过的方面联系起来。这些发现最初是在去年的一次会议上分享的，它启发了康奈尔大学的其他研究人员直接测量超导的补充特征。这两项成果都发表在 6 月 28 日的《自然》杂志上。
超导体在 20 世纪才被发现，科学家们仍在努力解释属于这一类别的无数材料。这项工作是有关超导体UTe2的一系列成果中的最新成果。NIST 的尼古拉斯-布奇（Nicholas Butch）小组和马里兰大学的约翰皮埃尔-帕格里奥尼（Johnpierre Paglione）小组的研究人员为这项研究提供了晶体。在环境温度下，UTe2 并不起眼，就像一块闪闪发光的熔岩。当用液氦冷却这种材料时，它开始导电而不会升温，这就是所谓的超导性。
超导和库珀对
常规导电性，即为电器提供电力的电子运动，主要是一种单粒子效应。这意味着科学家可以在很大程度上解释和预测典型的导电性，而无需考虑电子-电子相互作用的物理学原理。超导则完全不同，因为它涉及电子相互作用形成所谓的库珀对。
这种相互作用因材料而异，从而产生了不同风格的超导。
碲化镉中三重电子配对的证据
例如，每个电子都有一种称为自旋的特性，自旋的方向有两种：向上或向下。当两个电子结合在一起时，它们的自旋方向可能相反，也可能相同。后一种情况被称为三重配对，是超导领域的稀有现象。在过去的几年中，该合作小组以及其他小组的科学家已经进行了测量，结果表明UTe2具有三重对。
在这项研究中，马达曼小组的实验人员使用扫描隧道显微镜（STM）来观察材料的微观结构。这种显微镜没有透镜或反射镜。电子为观察UTe2的结构提供了一个灵敏的窗口。在显微镜中，钨针尖以亚纳米分辨率扫过材料表面。针尖和材料都是电路的一部分，电子通过真空从针尖移动到材料。量子隧道效应导致了这种运动，这也是该设备名称的由来。该装置在 300 毫开尔文和高达约 11 特斯拉的磁场下工作。STM 发现，电荷的分布并不均匀，而是存在条纹。
"我们发现超导状态下存在电荷密度波，但这本身并不一定不寻常。奇怪的是，破坏超导性也会使电荷波消失，"第一作者、马达万研究小组的物理学研究生阿努瓦-艾什瓦里亚（Anuva Aishwarya）说，她一直在不懈地追寻UTe2和其他奇异材料的物理规律。
傅立叶分析和影响
数据的傅立叶分析表明，电荷密度波存在于低磁场中，当超过 10 特斯拉时就消失了，因为在那里超导电性消失了。这是电荷密度波与材料超导性之间存在某种联系的关键指标。
理论家朱利安-梅-曼（Julian May-Mann）和美国加州大学洛杉矶分校物理学教授爱德华多-弗拉德金（Eduardo Fradkin）对这些观察结果做出了解释。研究小组认为，电荷密度波是由材料中一种完全不同的波催生的，这种波由库珀对组成。这两种波都不像水那样起伏流动。相反，它们是两种不同性质的静态变化，一种与电荷有关，另一种与相互作用的电子对有关。通过这些波的组合，我们可以深入了解碲化镉中的秩序类型。在其他含有铜原子和氧原子的超导体中也会出现交织的父女波。这项新研究是科学家首次在具有三重配对的超导体中看到这种现象的证据。
"这让我非常兴奋。如果这种电荷密度波起源于三重对密度波，那么这种材料中可能出现了一个根本性的新阶段，因为电子相互作用非常强烈，"艾西瓦娅说。