《自然》重磅：首次证实L=6的i波超导对称性

发表在《自然》上的论文《PtBi₂中的拓扑节点i波超导性》（Topological nodal i-wave superconductivity in PtBi₂）标志着凝聚态物理学的一个里程碑。由德累斯顿莱布尼茨固态与材料研究所（IFW Dresden）和德累斯顿工业大学（TU Dresden）领导的这项研究，终于将超导配对对称性的实验“字母表”从众所周知的s、p、d波扩展到了前所未有的i波（L=6） 领域。

在追求稳健量子计算机的过程中，PtBi₂不仅仅是另一种新材料，它更像是一个天然形成的“拓扑实验室”，在这里，外尔（Weyl）物理学与非常规超导性发生了奇妙的碰撞。

1. 材料特性：外尔半金属“三明治”

三角相PtBi₂是一种非中心对称材料（空间群为P31m）。在它的超导特性被完全揭示之前，它主要因作为 I 型外尔半金属而闻名。

其电子结构由 12 个外尔点定义——这些点是动量空间中的奇异点，充当贝里曲率的“磁单极子”。这些点在材料表面通过特殊的电子态——拓扑费米弧相连。

PtBi₂最核心的异常现象在于其超导性的空间分布。当温度降至极低时，晶体的内部（体态）依然保持正常金属态，但其表面态（费米弧）却在约10-15K时自发进入超导态。这创造了一种“超导三明治”效应：金属内核包裹在超导“外皮”之中。

2. 核心突破：$i$ 波对称性的证据

超导性的定义核心是“能隙函数”Δ(k)，它描述了电子如何成对（库珀对）：

• s波 (L=0)：均匀配对（如铅、铌）。
• d波 (L=2)：存在能隙消失的节点（如铜氧化物高温超导体）。
• i波 (L=6)：一种极其复杂的高角动量状态。

研究团队利用高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）观察到，费米弧上的超导能隙并不是均匀开放的。相反，他们发现了节点（Nodes）——即能隙有效消失的点——这些节点精确地位于费米弧的中心。

通过基于C3v点群的严密对称性分析，团队得出结论：这些节点是 i 波配对的独特标志。这是实验上首次证实实际材料中存在角动量高于L=2的配对对称性。这种“受限配对”意味着电子拒绝在六个特定的对称方向上成对，这在超导研究史上是绝无仅有的。

3. 马约拉纳锥与拓扑保护

PtBi₂中 i波配对的意义远不止增加了一个新字母。由于超导序参量在跨越这些节点时会改变正负号，这便在动量空间中产生了受拓扑保护的马约拉纳锥。

关键理论影响：

• 相同的缠绕数：在PtBi₂的单个表面上，所有六个马约拉纳锥都携带相同的拓扑缠绕数（+1或-1）。这是一种罕见的“量子异常”——在相对的另一个表面上，这些锥携带相反的缠绕数，从而保证整个系统的拓扑电荷平衡。
• 马约拉纳平带：理论预测，在晶体表面的阶梯边缘（天然存在或人工制造的原子级“悬崖”），将出现稳健的、零能量的马约拉纳平带。这些平带本质上是马约拉纳费米子的“储藏库”。

4. 为什么这很重要：通往量子计算之路

几十年来，科学家们一直试图通过堆叠不同的材料（如在标准超导体上放置半导体）来人工构建拓扑超导体，从而诱导出马约拉纳费米子。这些粒子互为自身反粒子，是构建拓扑量子计算的“圣杯”，因为它们存储信息的方式可以免疫局部噪声和退相干。

PtBi₂改变了游戏规则，因为它具有本征性。你不需要构建复杂的异质结构；材料自身的表面就天然托管着这些量子态。

未来的技术优势：

1. 更高的工作温度：许多马约拉纳候选材料只能在毫开尔文级别工作。而 PtBi₂的工作温度在10K以上，这使得实验操控变得容易得多。
2. 可扩展性：通过库仑工程或简单地在晶体表面制造阶梯边缘，研究人员理论上可以生成并操纵所需数量的马约拉纳模式，从而构建可扩展的量子比特阵列。

5. 结语

PtBi₂中 i 波超导性的发现不仅解决了关于该材料表面特性的长期谜团，还开启了高角动量配对研究的新篇章。它在外尔拓扑学的抽象数学美感与容错量子硬件的实际需求之间架起了一座桥梁。随着我们迈向 2026 年，研究重点已从“寻找”这些状态转向“控制”它们，使PtBi₂从《自然》杂志的论文页面走向下一代计算机的原型机。