科學(xué)家們?nèi)涨霸谝粋€Kagome超導(dǎo)體中觀察到了一種新型電子相的特征，這種電子相能夠使電荷自發(fā)地循環(huán)流動。通過使用超靈敏的μ子自旋光譜，研究人員在該材料內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了打破時間反演對稱性（time-reversal symmetry）的磁場，這表明存在著尋找已久的"軌道電流"。2022年2月9日發(fā)表在《自然》雜志上的這一發(fā)現(xiàn)，有助于理解高溫超導(dǎo)性和支撐下一代設(shè)備研究的量子現(xiàn)象。

Kagome圖案是一個由交錯的三角形組成的網(wǎng)絡(luò)，在日本傳統(tǒng)的籃子編織者和凝聚態(tài)物理學(xué)家中很有名。Kagome晶格中金屬原子不尋常的幾何形狀以及由此產(chǎn)生的電子行為使其成為探究奇怪和奇妙的量子現(xiàn)象的樂園，這些現(xiàn)象構(gòu)成了下一代設(shè)備研究的基礎(chǔ)。

一個關(guān)鍵的例子是非常規(guī)的--如高溫超導(dǎo)性，它不遵循傳統(tǒng)的超導(dǎo)規(guī)律。大多數(shù)超導(dǎo)材料在開爾文幾度的溫度下表現(xiàn)出它們看似神奇的零電阻特性：這些溫度對于大多數(shù)應(yīng)用來說根本不切實際。表現(xiàn)出所謂的“高溫”超導(dǎo)性的材料，其溫度可以通過液氮冷卻實現(xiàn)（甚至在室溫下），是一個誘人的前景。尋找和合成表現(xiàn)出非常規(guī)超導(dǎo)性的新材料已成為凝聚態(tài)物理學(xué)家的“圣杯”--但要達到這一目的，需要對材料中的奇異、拓撲電子行為有更深入的了解。

長期以來，人們一直在爭論一種異乎尋常的電子傳輸行為，這種行為導(dǎo)致了環(huán)狀電荷的自發(fā)流動，是高溫超導(dǎo)性的前兆，也是另一種神秘現(xiàn)象背后的機制：量子反?；魻栃?yīng)。鄧肯·霍爾丹因在理論上發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的拓撲相變和拓撲相而在2016年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。這種拓撲效應(yīng)發(fā)生在某些二維電子材料中，與即使在沒有外加磁場的情況下產(chǎn)生的電流有關(guān)。了解量子反?；魻栃?yīng)不僅對基礎(chǔ)物理學(xué)很重要，而且對新型電子和設(shè)備的潛在應(yīng)用也很重要?，F(xiàn)在，一個由瑞士保羅謝勒研究所（簡稱PSI）領(lǐng)導(dǎo)的國際合作組織已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了支持這種難以捉摸的電子傳輸行為的有力證據(jù)。

由PSI介子自旋光譜學(xué)實驗室的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團隊發(fā)現(xiàn)了弱的內(nèi)部磁場，表明在一個相關(guān)的Kagome超導(dǎo)體中存在一種奇特的電荷排序。這些磁場打破了所謂的時間反演對稱性，這是一種對稱性，意味著無論你看一個系統(tǒng)的時間是向前還是向后，物理學(xué)定律都是一樣的。

對打破時間反演對稱性的磁場的發(fā)生的一個自然解釋是一種新的電荷排序。電荷有序可以理解為通過晶格對電子密度的周期性調(diào)制，以及將原子重新排列成高階（超晶格）結(jié)構(gòu)。研究小組將他們的研究集中在Kagome晶格，KV3Sb5上，該晶格在2.5開爾文以下超導(dǎo)。在大約80開爾文的較高臨界溫度以下，在該材料中觀察到一個巨大的量子反?；魻栃?yīng)，這在以前是無法解釋的。在這個大約80開爾文的臨界溫度以下出現(xiàn)了奇異的電荷排序，稱為“電荷排序溫度”。

所發(fā)現(xiàn)的打破時間反演對稱性的磁場意味著一種異乎尋常的電荷秩序，其中電流在Kagome晶格的單位單元周圍移動，被稱為“軌道電流”。這些產(chǎn)生的磁性由原子晶格中電子的擴展軌道運動主導(dǎo)。

領(lǐng)導(dǎo)該團隊的通訊作者、來自PSI Muon Spin Spectroscopy實驗室的Zurab Guguchia解釋說：“這種現(xiàn)象的實驗實現(xiàn)異常具有挑戰(zhàn)性，因為表現(xiàn)出軌道電流的材料非常罕見，而且（軌道電流的）特征信號往往太弱而無法被檢測到。”

雖然以前的研究顯示了在超導(dǎo)溫度以下的時間反演對稱性的打破，但這是第一個時間反轉(zhuǎn)對稱性被電荷秩序所破壞的例子。這意味著，這種假定的異域電荷秩序?qū)儆谖镔|(zhì)的新量子階段。

一個極具說服力的證據(jù)

為了尋找長期存在爭議的“軌道電流”，物理學(xué)家們使用了高度敏感的μSR（μSR）來檢測它們會產(chǎn)生的微弱的、提示性的磁信號。植入樣品中的介子作為材料內(nèi)部磁場的局部和高度敏感的磁探針，使小至0.001微波爾的磁場都能被檢測到。在有內(nèi)部磁場的情況下，μ介子的自旋會去極化。μ介子衰變?yōu)楦吣苷娮樱@些正電子沿著μ介子自旋的方向發(fā)射出去，并攜帶著當(dāng)?shù)丨h(huán)境中μ介子自旋極化的信息。

研究人員觀察到，當(dāng)溫度降低到80K以下（電荷排序溫度）時，磁性信號出現(xiàn)了系統(tǒng)性轉(zhuǎn)變。利用PSI的世界上最先進的μSR設(shè)施，它可以應(yīng)用高達9.5特斯拉的場，研究小組可以使用外部高磁場來加強微小的內(nèi)部磁場的轉(zhuǎn)變，并提供更有力的證據(jù)表明磁場是由內(nèi)部軌道電流引起的。

“我們首先在沒有外部磁場的情況下進行了實驗，”Guguchia博士解釋說，“當(dāng)我們看到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變出現(xiàn)在電荷排序溫度以下時，我們感到非常有動力繼續(xù)下去。但是當(dāng)我們隨后應(yīng)用高場并能促進這種電子反應(yīng)時，我們感到非常高興。這是一個非常、非常有說服力的證據(jù)，證明了長期以來一直難以捉摸的東西?！?/p>

對非常規(guī)超導(dǎo)性和量子反?；魻栃?yīng)的更深理解

這項研究可以說提供了最有力的證據(jù)，證明長期爭論不休的“軌道電流”確實存在于Kagome材料KV3Sb5中。理論表明，量子反?；魻栃?yīng)起源于“軌道電流”。因此，在一些表現(xiàn)出奇大的量子反?；魻栃?yīng)的非常規(guī)超導(dǎo)體中都提出了“軌道電流”；即石墨烯、銅酸鹽和Kagome晶格，但直到現(xiàn)在還沒有實際證據(jù)證明它們的存在。

打破時間反演對稱性的磁場的發(fā)現(xiàn)，意味著軌道電流--以及產(chǎn)生它們的奇特電荷排序，為物理學(xué)和下一代設(shè)備研究的奇異途徑打開了大門。軌道電流被認為在包括高溫超導(dǎo)在內(nèi)的各種非常規(guī)傳輸現(xiàn)象的機制中發(fā)揮著基本作用，其應(yīng)用范圍包括電力傳輸和MAGLEV列車。軌道電流的概念也構(gòu)成了軌道電子學(xué)的基礎(chǔ)--這是一個利用軌道自由度作為固態(tài)設(shè)備的信息載體的領(lǐng)域。