三十年疑云散尽：μ子探测终结钌酸锶超导之争

科学剃刀

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一种曾被寄予厚望的"量子计算理想材料"，其身份标签在三十年后被正式摘下。日本京都大学前野悦辉（Yoshiteru Maeno）团队利用瑞士保罗谢尔研究所（PSI）的最新μ子自旋谱仪，通过精确测量μ子Knight位移，证实钌酸锶（Sr₂RuO₄）并非学界长期认定的自旋三重态超导体，而是传统的自旋单态。这一发现不仅推翻了一部"教科书级"认知，更揭露了凝聚态物理实验中一个潜伏多年的技术陷阱。

明星材料陷入身份危机

钌酸锶是超导界的"老网红"。1994年，前野悦辉首次发现其超导特性。此后二十余年，它始终戴着"自旋三重态（p波）超导"的光环。在这种状态下，电子对以平行自旋方式配对，保持磁矩，理论上能承载拓扑量子信息，是构建容错量子计算机的梦幻载体。

然而，2019年的核磁共振（NMR）实验给这杯美酒投下了老鼠屎。实验数据显示，该材料在超导态下的自旋极化行为与三重态预言不符。争论瞬间白热化：是NMR信号解读有误，还是钌酸锶根本就是个"冒牌货"？学界急需一种独立的、对磁场更敏感的技术来一锤定音。

μ子技术捕捉微弱磁信号

μ子（μ⁻）是电子的"表亲"，质量约为电子的207倍，带有负电荷。当μ子注入材料并停在晶格间隙时，其自旋进动频率对周围局部磁场极其敏感。这种"μ子自旋旋转/弛豫"技术（μSR）能探测到比地球磁场弱一百万倍的磁信号，且对体材料内部信息敏感，与主要探测表面核自旋的NMR形成互补。

图释：μ子Knight移位Kobs（细红环）和直流磁化率的贡献示意图，由SQUID χobs（细蓝环）测量。在校正了SQUID和μSR测量中的几何效应后，SQUID探测的磁化率χ（厚蓝色环）与μSR探测的内在μ子骑士移Kμ（厚红色环）之间的剩余差值对应自旋接触项Kspin接触，直接反映了超导配对对称性。图片来源：松木久和等

关键在于Knight位移——μ子感受到的局部磁场与外加磁场的偏差。在自旋单态超导体中，电子对总自旋为零，进入超导态后局部磁场会减弱，Knight位移随之下降；而三重态超导体的自旋磁化率保持不变，Knight位移不应变化。PSI最新升级的μSR谱仪将灵敏度推向前所未有的高度，恰好能捕捉这一微妙差异。

多晶体干扰误导学界多年

研究团队发现了一个令人尴尬的技术陷阱。过去为提高信号强度，实验者常将多颗小单晶并排摆放。然而，每颗晶体进入超导态时都会产生迈斯纳效应（完全抗磁性），这些晶体的杂散磁场相互干扰，在μSR数据中制造出"伪信号"，让早期研究误以为看到了三重态的特征。

新研究采用了严格的新协议。他们结合超导量子干涉仪（SQUID）测量，精确校正了几何排布效应，剔除了晶体间的杂散磁场干扰。最终数据显示，进入超导态后，Knight位移显著下降。这无可辩驳地证明，钌酸锶属于自旋单态（可能是d波），与铜氧化物高温超导类似，而非之前宣称的p波拓扑超导。

这一方法论警示具有普遍意义。许多量子材料研究依赖多晶样品或拼样技术，磁相互作用的几何效应此前被严重低估。该团队的研究证明，在精密磁测量中，样品摆放方式本身就是实验变量。

中国布局下一代量子探测

这场"翻案"对中国超导研究具有重要参照价值。在非常规超导领域，中国科学家在铁基超导、镍基超导等材料体系上已处于世界第一梯队。中国科学技术大学陈仙辉院士团队近年来在镍基氧化物中发现液氮温区超导电性，浙江大学等也在拓扑量子计算材料方面持续投入。

图释：前野义辉和鲁斯特姆·哈萨诺夫在缪子设施发现之前的测量方法存在缺陷后立即出现。图片来源：前野义辉

但在μ子源建设和SRO₂₁₄这类特殊氧化物的研究上，中国仍需加速。位于东莞的中国散裂中子源（CSNS）正在建设μSR谱仪线站，预计建成后将成为国内首个高强度脉冲μ子源，填补该领域重大装置空白。目前，中国学者多依赖日本J-PARC、瑞士PSI或英国ISIS等国际装置开展μSR实验。拥有自主的先进μ子源，对抢占量子材料发现的先机至关重要。

钌酸锶的"身份降级"并非终点，而是起点。它提醒我们，在量子材料的微观世界里，最可靠的"眼睛"往往不是单一技术，而是交叉验证的方法论。当μ子与SQUID联手揭穿了几何干扰的伪装，人类对超导本质的理解又深了一层。

参考文献

Matsuki, H., et al. (2025). Muon Knight shift as a precise probe of the superconducting symmetry of Sr₂RuO₄. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/sgcz-9rc7. arXiv preprint: DOI: 10.48550/arxiv.2512.14107

Kyoto University. (2026, February 9). Muon Knight shift reveals the behavior of superconducting electron pairs. Phys.org. Retrieved from https://phys.org/news/2026-02-muon-knight-shift-reveals-behavior.html