在凝聚态物理的前沿领域，拓扑超导体始终处于研究的聚光灯下。由于其边缘或漩涡中心能够宿主具有非阿贝尔统计特性的马约拉纳零能模，拓扑超导被视为构建容错拓扑量子计算的核心物理载体。然而，自然界中本征的拓扑超导体极其罕见。

寻找并调控本征拓扑超导相，关键在于寻找自旋三态超导体。与常见的自旋单态（Spin-Singlet, S=0）库珀对不同，自旋三态（S=1）超导库珀对拥有丰富的自旋与轨道自由度，其配对序参数可以通过一个三维矢量d(k)来表征。这种复杂的自由度使得自旋三态超导体在理论上类似于著名的超流液态³He，能够在不同的温度、磁场或压力下展现出多个不同的超导相。

近期，发表于Physical Review Letters的重磅研究论文《Multiple phases in K₂Cr₃As₃: A playground for manipulating topological superconductivity》，利用高精度的核磁共振（NMR）技术，首次在准一维铬基超导体K₂Cr₃As₃中观察到了由磁场和温度驱动的多重超导相变，成功揭示了d(k)矢量的自发旋转与重定向过程，确立了该材料作为“调控拓扑超导相的理想实验室”的地位。

打开网易新闻 查看精彩图片

一、 为什么是 K₂Cr₃As₃？

在众多自旋三态候选材料中（如Sr₂RuO₄、UTe₂以及重费米子体系 UPt₃），研究往往面临着临界温度Tc极低、常伴随复杂的长程磁有序共存、或者样品质量难以控制等瓶颈。

K₂Cr₃As₃具有独特的晶体结构和电子性质：

准一维链状结构：其晶体结构由沿c轴延伸的(Cr₃As₃)-无限双柱链组成，具有非中心对称的P\bar{6}2m空间群。

较高的临界温度：在常压下的Tc≈6.2K，远高于传统三态候选材料，为极低温下的高分辨率实验观测提供了广阔的温区窗口。

无长程磁有序干扰：虽然体系表现出强烈的电子关联与自旋涨落，但并不存在破坏超导性质的静态长程磁有序。

此前，针对该体系的纳特移位（Knight Shift）测量已表明其电子自旋磁化率在进入超导态后保持不变，初步证实了其自旋三态配对的本质。然而，其内部自由度如何随着外部物理环境（如磁场与温度）演化，此前一直缺乏直接的微观实验证据。

二、 NMR 实验发现：三大超导相的破译

冈山大学Guo-qing Zheng教授领导的研究团队通过针对⁷⁵As核的微观 NMR 探针，在磁场平行于c轴（B || c）的构型下，精细测量了自旋-晶格弛豫率（1/T₁）以及奈特移位随温度和磁场的响应。

研究团队在B || c的相图中清晰地识别出了三个不同的超导相：Phase A、Phase B 与 Phase C。

1. Phase A：高区相与螺旋超导态

在零场或低场且温度处于相对较高区域（如Tc附近）时，体系进入 Phase A。

  • d(k)向量取向：位于晶体基面（In-plane, d⊥c）。
  • 节点类型：自旋-晶格弛豫率1/T₁∝T⁵，表明能隙存在点节点。
  • 物理图像：Phase A 对应于拓扑螺旋超导态，体系在时间反演对称性受到保护的同时呈现出时间反演不变的拓扑性质。

2. Phase B：极低温基态与手性超导态

随着温度进一步降低，在极低温且低磁场区，体系发生二次相变进入Phase B。

  • d(k)向量旋转：NMR 数据显示d(k)矢量发生了自发旋转，从面内定向到了面外（Out-of-plane, d || c）。
  • 物理图像：Phase B 对应于破缺时间反演对称性的手性超导态。这种自发的矢量旋转是自旋三态超导自由度极度活跃的直接体现。

3. Phase C：高磁场诱导相

当沿c轴外加磁场增强时，塞曼效应与轨道效应开始主导。

  • d(k)矢量重定向：强磁场克服了相变各向异性能，强行将d(k)矢量从面外重新压回面内（In-plane）。
  • 节点类型：高场下1/T₁∝T³，能隙结构由点节点转变为线节点。这构成了磁场驱动的拓扑相变。

三、 核心物理意义与研究亮点

这篇论文的发表不仅解答了关于K₂Cr₃As₃长期存在的争议，也为整个拓扑超导领域带来了重要的理论与应用价值：

确定性的自旋三态证据

在自旋单态超导体中，由于配对自旋总角动量为零，不可能存在d(k)矢量的旋转或由各向异性磁场驱动的多超导相。观察到d(k)向量的自发旋转与重定向，是自旋三态超导配对无可争议的“烟枪证据”（Smoking-gun evidence）。

拓扑序参数的可操控性

传统的拓扑材料多依赖于固定的晶体结构或复杂的异质结界面设计。而在 K₂Cr₃As₃中，仅凭温度和外加磁场两个简单的热力学变量，即可精准调控序参数的自旋取向（面内/面外）以及能隙节点类型（点节点/线节点），实现了拓扑超导态的“原位调控”。

拓扑量子计算的前景

由于 Phase B（手性态）和 Phase A（螺旋态）在界面或磁通芯部可能产生截然不同的马约拉纳束缚态，K₂Cr₃As₃为设计基于马约拉纳零能模的编织与量子门操作提供了一个高度可控的单晶平台。

四、 总结与展望

《Multiple phases in K₂Cr₃As₃: A playground for manipulating topological superconductivity》展现了高精度极低温 NMR 实验在凝聚态物理重大难题中的独特威力。研究团队通过对⁷⁵As核的精准测量，绘制出了完整的拓扑超导多相图，证明了准一维铬基超导体具有媲美超流³He的丰富内部相变。

这项成果不仅深化了人们对非常规超导配对机制的理解，更将 K₂Cr₃As₃推上了拓扑物理研究的前沿舞台。未来，结合极低温下的扫描隧道显微镜（STM）以及输运测量，进一步寻找这些超导相边界上的马约拉纳边缘态，将是该材料研究中最为令人期待的下一个里程碑。