科學家對一種神秘的超導體進行扭曲實驗，得到令人震驚的結(jié)果

把一塊極薄的晶體稍微扭一扭，看它有沒有反應。這個看似簡單粗暴的實驗，讓物理學界困惑了30年的一個頑固謎題，迎來了迄今最清晰的一次轉(zhuǎn)折。

京都大學的研究團隊在2025年12月發(fā)表于《自然·通訊》的論文中宣布，他們對超導體釕酸鍶（Sr?RuO?）施加了三種精確可控的剪切應變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種材料幾乎毫無反應，超導轉(zhuǎn)變溫度的變化小到根本無法有效檢測。

這個"沒反應"的結(jié)果，反而成了近年來超導研究中最令人震驚的發(fā)現(xiàn)之一。

扭曲一塊晶體，為了回答一個大問題

1994年，日本物理學家永野義輝（Yoshiteru Maeno）領導的團隊首次在Sr?RuO?中發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象，溫度約為1.5開爾文（零下271.65攝氏度）。這本是一項令人振奮的發(fā)現(xiàn)，但隨之而來的，是此后整整30年沒有定論的爭論。

爭論的核心在于：這種材料里的電子是怎么配對的？

普通超導體中，電子以一種被稱為"s波配對"的方式結(jié)合，物理圖像相對清晰。而Sr?RuO?的行為一直不符合這套框架，它是典型的"非常規(guī)超導體"，其配對對稱性至今眾說紛紜。更麻煩的是，早年利用超聲波進行的實驗結(jié)果清楚地表明，這種材料似乎存在一種"雙組分超導態(tài)"，即內(nèi)部同時存在兩種相互獨立但協(xié)同運作的超導區(qū)域，類似兩臺發(fā)動機同時工作。

雙組分超導態(tài)的一個關鍵預測是：它對剪切應變應該極為敏感。剪切應變是一種讓晶體部分橫向錯位的形變，類似于把一疊撲克牌的頂部相對于底部向側(cè)面滑動。理論上，這種形變會破壞雙組分態(tài)的內(nèi)部對稱性，引起超導轉(zhuǎn)變溫度（Tc）的明顯變化。

京都大學豐田理研研究中心的吉奧爾達諾·馬托尼（Giordano Mattoni）主導了這次驗證實驗。他們開發(fā)了一套可以向超薄Sr?RuO?單晶施加三種不同類型剪切應變的精密裝置，并利用高分辨率光學成像技術，在低至30開爾文（零下243攝氏度）的溫度下精確測量應變與溫度的響應關系。

"什么都沒發(fā)生"，這才是真正的麻煩

實驗結(jié)果出來了，Tc的變化幅度小于每百分比應變10毫開爾文。

10毫開爾文是什么概念？它比現(xiàn)有儀器的可靠檢測閾值還要小，實際上等同于"零響應"。

這個結(jié)果一刀砍掉了支持雙組分超導態(tài)的幾種主流理論，因為雙組分態(tài)對剪切應變沒有強烈響應，在物理上是說不通的。馬托尼在論文中寫道："我們的研究代表著在解決凝聚態(tài)物理領域最長久謎題之一方面邁出了重要一步。"

但這個"重要一步"非但沒有帶來答案，反而制造了一個新的困局。

超聲波實驗的數(shù)據(jù)清清楚楚地顯示，Sr?RuO?對與剪切相關的擾動存在強烈響應，這也是雙組分假說在過去多年間能夠獲得廣泛支持的主要依據(jù)。而現(xiàn)在，直接的剪切應變測量結(jié)果說：沒有任何響應。兩套實驗用不同方法測同一個東西，卻得出了截然相反的結(jié)論。

這種矛盾意味著什么，目前沒有人能給出完整的解釋。一種可能是超聲波測量中存在某種迄今被忽略的間接效應，另一種可能則更令人不安：也許Sr?RuO?的超導態(tài)根本就是某種理論上尚未充分描述的奇異單組分態(tài)，既不符合傳統(tǒng)框架，也不符合雙組分假說。

正如馬托尼所說，研究結(jié)果指向的是一個"單組分超導態(tài)，或者可能是一種甚至更異乎尋常、尚待探索的超導態(tài)"。

一個工具，一扇新門

這項研究留下的不只是疑問，還有一件可以繼續(xù)使用的新工具。

京都大學團隊開發(fā)的精密剪切應變控制方法，此前從未被系統(tǒng)應用于Sr?RuO?的研究。這套裝置可以施加超薄晶體承受的極限形變，同時在液氦溫度附近保持足夠的測量精度，是迄今針對該類材料最為嚴格的直接機械測試之一。

研究者指出，同樣的技術可以被應用于其他同樣存在多組分行為爭議的超導體，包括重費米子超導體UPt?，以及更廣泛的一類具有復雜相變的材料。

Sr?RuO?的故事還沒有結(jié)束。但至少，科學家們現(xiàn)在知道了一件以前不確定的事：扭曲它，它不動。而理解為什么它不動，將是解開這個謎團的下一把鑰匙。