瑞士保罗·谢勒研究所(PSI)研究人员利用μ子自旋谱学等实验手段，对量子材料二硫化钽在高压和低温条件下的超导行为进行了研究。相关成果发表在《自然通讯》上，为理解非常规超导的形成机制提供了新线索，也有助于未来寻找更接近实际应用条件的超导材料。
二硫化钽是一种层状量子材料，由钽原子和硫原子组成。它的结构看似简单，内部电子行为却相当复杂。按照特定方式制备后，材料会形成两种原子排列不同的交替层：在较高温度下，两层都具有金属性;温度降低后，其中一层会转为绝缘体，另一层则进入超导状态。这意味着材料最初只能沿超导层所在的平面导电，绝缘层会阻碍电子在层间运动。
PSI研究团队发现，当二硫化钽被冷却到接近绝对零度时，原本绝缘的层也会参与导电，整个材料呈现超导性。如果进一步施加高压，这一变化会在更高温度下出现。研究负责人祖拉布·古古奇亚表示，高压会把晶体层压得更紧，使超导层之间的联系增强，同时释放绝缘层中的部分电子，让它们也参与超导过程。
实验显示，在数百倍于汽车轮胎胎压的高压条件下，二硫化钽可在约为常压条件三倍的温度下表现出三维超导性，参与超导的电子数量增加约七倍。研究人员认为，压力不仅提高了超导出现的温度，也改变了超导态本身，使电子配对和协同运动的方式发生变化，从而形成更稳定的超导状态。
μ子在这项研究中发挥了关键作用。μ子是一种基本粒子，性质类似电子，但质量约为电子的200倍，寿命只有几百万分之一秒。注入材料后，μ子会对材料内部微弱的磁场环境作出敏感响应，研究人员可借此观察材料中的磁性和超导特征。PSI运行着瑞士μ子源(SμS)，这是开展此类实验的重要装置。
研究团队表示，这些实验结果将为理论物理学家建立和检验量子材料模型提供重要依据。未来，随着PSI在IMPACT项目框架下推进μ子源升级，μ子束强度有望提升数百倍;同时，瑞士国家卓越研究中心Muoniverse也将依托PSI的μ子平台整合相关研究力量。研究人员预计，更强的μ子束和更完善的实验条件，将为超导量子材料研究带来新的实验可能。
