像液晶一样朝特定方向排列的铋硒化合物超导态

日本京都大学2016年10月14日宣布，在插入铜的铋硒化合物超导物质中发现了一种现象：引发超导状态的两个电子组成的电子对会进行自发性排列，使组成电子对的强度在特定方向上减弱。由于这种现象类似液晶的向列态（液晶分子朝着某一方向排列之后，会出现特别的方向，导致旋转对称性破缺），因此称之为“向列超导”。

此前已知的超导与向列超导的对比（为四方格时）
（摘自京都大学的发布资料，下同）

“对称性自发破缺”在整个物理学领域中都是极为重要的概念，载流电子组成对之后导致电阻消失的超导现象也与对称性破缺密切相关。比如，此前已经发现了具有类磁铁性质的“时间反演对称性破缺”超导、以超导对为特征的相位具有特殊方向变化性质的“p波”超导及“d波”超导等。但尚未发现组成超导对的强度会随着方向发生变化的“旋转对称性破缺超导”。

插入铜的铋硒化合物的构造。在铋和硒形成三角形的层之间插入铜

关于“旋转对称性破缺超导”，其更为严格的定义是“无论构造上等价方向如何，组成超导对的强度均不相同”。研究人员此次使用在铋硒化合物Bi₂Se₃的晶体中插入铜离子的物质——Cu_xBi₂Se₃的单晶试料，在控制磁场方向的情况下，测量了与超导对的结合强度有关的比热。该物质由原子的三角形构造层叠而成，与该层平行旋转磁场时，比热对磁场角度显示出了以180度为周期的振动。

在试料物质中测量的随磁场方向发生的比热变化（蓝色）与通常超导时预期可通过结晶构造实现的运动（棕色）的对比
右为模式图，表示物质构造与磁场方向的关系

该物质的构造中有3个等价方向，原本预想的是，将磁场朝着这些等价方向时，比热的大小是相同的，会发生以60度（有时是120度）为周期的振动。但结果发现，此次观测到的周期比预期的周期要长，可以保持超导状态的最大磁场（上部临界磁场）也会对磁场方向发生以180度为周期的振动，因此在三个等价方向中，超导对的结合强度会在其中一个方向上减弱，从而实现了向列超导。

此次发现的向列超导的模式图
通常状态下等价的3个方向一变成超导态，就会因为超导对强度的变化而产生特殊的方向

由于从理论上已经了解，这种物质中的向列超导态是近年来备受关注的拓扑超导态，因此，这次的成果运用在测量比热时可测量试料总体性质的方法，显示出了拓扑超导态。而且，向列超导是超导对这种量子力学性状态形成的向列态，因此与已知的向列态相比，这种状态非常新奇。

今后还需要查明向列超导的性质。比如，在向列液晶状态下能够通过外部电压来控制分子排列的方向，如果同样能够通过外部方法控制向列超导的方向，那么就有望开拓应用于超导元器件的新用途。另外，此次的研究成果也通过热力学方法证明了Cu_xBi₂Se₃为拓扑超导，这是朝着实现量子计算的目标迈出了一大步。

此次研究是京都大学与德国科隆大学、京都产业大学、日本原子能研究开发机构共同实施的。相关成果已于2016年10月11日发表在英国自然出版集团（Nature Publishing Group）发行的科学期刊《自然物理》的网络版上。而且，该期刊还在介绍焦点论文的“新闻与观点”（News and Views）中刊登了这项成果的相关报道。（特约撰稿人：工藤 宗介）

（全文完）