《自然通讯》重磅：一项“零结果”推翻凝聚态物理三十年的共识

在《自然·通讯》上发表的论文——《Sr₂RuO₄中剪切应变与超导性之间缺乏耦合的直接证据》，标志着凝聚态物理领域的一个转折点。

三十多年来，层状钙钛矿材料锶钌氧化物 (Sr₂RuO₄) 一直是研究“非常规超导性”（即不符合标准 BCS 理论的电子配对方式）的核心材料。这篇论文通过一种创新的应变控制技术，推翻了过去被广泛接受的关于多分量超导态的“证据”，重新点燃了关于该材料本质的全球大讨论。

1. 多分量范式与超声波“冒烟的枪”

要理解这篇论文的重要性，首先必须了解它所针对的争议。自 1994 年发现以来，Sr₂RuO₄长期被怀疑具有手性p波状态，类似于氦-3 的超流相。这种状态的一个核心特征是，超导序参量（描述库珀对的波函数）具有多个分量（例如 px±ipy）。

在物理学中，对称性规定：如果一种材料具有多分量序参量，那么在进入超导态时，特定的弹性常数应当表现出热力学特征。对于Sr₂RuO₄，早期的超声波速度测量曾发现，在转变温度Tc处，剪切弹性模量c₆₆会出现显著的“跳变”。

逻辑链条：如果c₆₆在Tc处发生跳变→意味着剪切应变与超导序参量之间存在线性-二次耦合→这种耦合仅在序参量具有多个分量时才在数学上成立。因此，超声波跳变曾被视为多分量（且可能是手性）超导态的“铁证”（Smoking Gun）。

2. 实验创新：直接剪切力控制

Mattoni 及其京都大学团队决定直接测试这一“铁证”。过去的实验通过声波（动态应变）来推导耦合，而本研究则对高纯度Sr₂RuO₄晶体施加了静态、直接的剪切应变。

研究团队利用精密微应变装置，使薄片状晶体在三种特定的剪切模式下发生形变。通过在低温（低至30K）下使用高分辨率光学成像，他们精确量化了晶格畸变的程度。随后，通过低频磁化率测量了Tc的变化。

埃伦费斯特 (Ehrenfest) 关系的预期

根据热力学中的埃伦费斯特关系，如果早期超声实验观察到的弹性模量跳变是真实存在的，那么在Tc随应变变化的曲线上，应该会出现一个明显的“拐点”或“V形”特征。如果超声数据解读正确，当晶体受到剪切时，Tc应该发生显著变化（每 1% 的应变对应数十毫开尔文的升降）。

3. 核心发现：重大意义的“零结果”

Mattoni 论文的核心发现是一个令人震惊的“无效应”：

• 实验观测：团队发现，在剪切应变下，Tc几乎保持恒定。
• 灵敏度：Tc的波动极小，小于10mK/%应变。
• 结论：这一数值比超声波跳变所预言的响应小了一个数量级。

通过证明超导态对剪切变形“视而不见”，研究者提供了直接证据，表明剪切应变与序参量之间的耦合几乎为零。这有力地否定了将早期超声波实验解读为“多分量超导态证据”的做法。

4. 理论影响：回到起跑线

Mattoni 的论文给科学界带来了深刻的危机。如果Sr₂RuO₄不是多分量超导体，那么几个长期存在的谜团将变得更加难以解释：

1. 时间反演对称性破缺 (TRSB)： 缪子自旋弛豫 (μSR) 和克尔效应实验一致表明，Sr₂RuO₄在Tc以下打破了时间反演对称性。在标准理论中，只有多分量态才能做到这一点。
2. 单分量悖论：如果状态是单分量的（符合 Mattoni 的剪切数据），它是如何打破 TRSB 的？这可能需要“偶然简并”——即两种不同类型的配对恰好在同一温度下发生，但许多物理学家认为这种场景在数学上太过于“凑巧”。
3. 超声波之谜：如果c₆₆的跳变不是由超导耦合引起的，那它的原因是什么？论文暗示，我们可能在过去几十年里误读了超声波数据，或许是因为晶体缺陷或表面层的细微影响。

5. 结论：研究的新纪元

Mattoni 等人的论文是科学方法论的典范：它利用更直接、更精密的实验手段，挑战了基于间接推论建立的共识。通过证明剪切耦合的缺失，作者们清理了一系列尽管与最新 NMR（核磁共振）数据不符却依然存在的旧理论。

虽然它没有彻底解决Sr₂RuO₄之谜，但它划定了真相必须存在的边界。现在的 Sr₂RuO₄超导态必须同时满足：

• 表现为自旋单态（根据 NMR）；
• 打破时间反演对称性（根据μSR）；
• 以及最新发现的：不与剪切应变耦合（根据 Mattoni）。

这使得研究方向转向了一些更加奇特的可能性，如s+id或d+ig态，或者是我们才刚刚开始构想的“轨道间配对”等全新形式。