概览

近日，综合极端条件实验装置用户，以英国剑桥大学卡文迪许实验室Zheyu Wu博士为第一作者，Alexander Eaton博士为通讯作者的研究团队，在《自然》杂志报道了在非常规超导体UTe2中发现的由电流驱动的，可重复的超导临界电流回滞现象，并将其命名为超导记忆效应。该项工作的核心实验全部在A3极低温强磁场量子振荡实验站的全超导高场磁体+顶部装载稀释制冷机系统上完成。

研究背景

 UTe₂是一个正交晶格结构重费米子金属， 2019 年被报道常压下2 K左右出现超导电性。随着晶体质量的提高以及在极低温、强磁场等极端条件下实验数据的不断积累，该材料当前在非常规超导电性研究中被广泛认为是最具有可能性的自旋三重态（奇宇称）超导配对体材料。支持这一判断的核心实验证据是其高度各向异性且全面超越泡利（Pauli）极限的超导上临界场。如图1所示，常压下当外磁场沿晶体a轴施加时，临界场约 9 T； 沿 b 轴（硬磁化轴）施加时，存在低场超导SC1相（约15 T 以下）与随磁场增强的超导SC2相，SC2相在约35 T时终结，通过变磁转变进入自旋极化金属态；而在磁场方向偏离b轴的三维环状磁场区域内，存在一个围绕b轴，由自旋极化金属态进入的高场超导SC3相，其上临界场可高至约 73 T。

虽然外磁场沿b轴方向的两个超导相已被多个研究组报道，但围绕这两个超导相仍有大量问题有待研究。包括它们在相图内如何演化，二者是否可共存，二者是相互竞争或相互配合关系，以及各自的微观配对机制是什么。以这些问题作为动机，剑桥大学团队在其前期研究基础上，使用高质量UTe₂单晶开展了磁场主要沿 b 轴时的超导临界电流（Jc）的测量。与常规电输运相比，Jc测量对超导态的耗散边界更为敏感，且可反映磁通钉扎、涡旋结构的信息，有助于更精细地描绘 SC1 与 SC2 两个超导相随温度、磁场的演化。

图1. UTe2低温下的磁场-角度相图。测量温度在0.1 – 0.7 K范围内。引自Zheyu Wu et al.，PNAS（2024），并经原作者修改。

核心实验发现及解释

图2. UTe2超导临界电流的可重复回滞。引自Zheyu Wu et al.，Nature（2026）.

研究团队对 UTe₂ 单晶样品施加调幅直流电流脉冲序列并测量电压，系统记录了电压-电流曲线 V(J) 在不同磁场、温度和磁场倾角下的行为。最主要的实验发现如图2所示。在一定温度及磁场条件下，当电流连续而平缓地增大或减小时，V(J) 曲线是单值函数，从电流负极性最大值到正极性最大值的曲线与反向曲线重合，正负极性电流给出相同的临界电流Jc。然而，如果改变电流施加的时间序列，将电流从一个较大值突然关断到零（无论正极性还是负极性），再次平缓升流时，情况发生了改变，样品表现出新的、更高的Jc，并且可在随后的所有重复测量中都稳定保持在这一"记忆态"。这一记忆至少可以维持数小时不衰减。更加新奇的是，该记忆可以被完全“擦除“， 只需将电流再缓降回零（相当于对磁通涡旋体系进行一次"退火"），样品便会恢复到初始V(J)曲线与 Jc。

通过系统地改变直流电流脉冲的最大幅值，脉冲持续时间以及脉冲弛豫速率，研究团队定量测量了超导临界电流对电流脉冲的响应谱。进一步的，在磁场维度上，该效应在完全的SC1相或SC2相（30 T以内）均不存在，而仅在两相的中间过渡区（被称为SC1.5相）出现。在温度维度上，尽管 UTe₂ 在该磁场区间的超导转变温度仍高于 1 K，但Jc回滞仅在约 0.6 K 以下才会开启。

研究团队在论文中提出，UTe₂ 中观察到的这种新型回滞效应源自两个超导相不同磁通涡旋结构之间的竞争。当电流从大值突然撤掉，磁通涡旋被瞬间"速冻"在新的位置上，形成一种淬灭涡旋玻璃态。这种态的无序度高于原有的平衡态，而无序度的增加意味着涡旋之间及涡旋与缺陷之间的钉扎力更强，从而表现为更大的临界电流。平缓扫描电流则使涡旋得以重新排列回平衡构型。关于两相磁通涡旋的具体差异，作者推断可能表现为涡旋直径不同（SC2 相的相干长度更短，其涡旋可能更细），或者某一类涡旋倾向于聚集成簇或畴区。

展望

这项工作报道了在非常规超导体 UTe₂ 中发现的一种全新的、可重复的超导临界电流回滞效应。除了激励对UTe₂中磁通涡旋态微观结构的研究之外，也激励探索该效应是否存在于其他具有多个场致超导相的超导体中。在远景方面，虽然该材料本身难以获得，实验条件也较为苛刻，但它所展示出的，在超导态下通过电流控制改变超导临界电流数值的能力，亦即超导态下电控写入、擦除两个可以保持的态，对超低功耗存储是一个具有吸引力的可能性。

A3实验站发挥的作用

A3实验站全超导高场磁体所能提供的30 T级磁场与顶部装载型稀释制冷机所能提供的50 mK – 1.2 K温度，满足开展该项工作对磁场及温度的组合需求，这样的条件当前在全球范围内已比较少见。更为重要的是，由于每一个温度-磁场组合点的测量均需要在稳定状态下开展，在同一个磁场等待时间以小时计算，全超导磁体名义上无限的维持时间使得这种精细测量成为可能。

剑桥大学团队自A3实验站2023年秋正式对外开放后已多次前来开展实验。包括当前论文，至今已有3篇使用了在实验站采集数据的论文发表。此外，国内外其他大学/研究所的团队也在实验站开展了一系列UTe₂以及其它重费米子体系的研究工作，展示了30 T级磁场+稀释制冷机对于领域内研究者的吸引力，也表明综合极端条件实验装置正在成长为强磁场物质科学研究群体的一份子。

链接

研究论文：

Zheyu Wu et al., Nature 657, 632 (2026), https://doi.org/10.1038/s41586-026-11015-3

实验站介绍：

Gang Li et al., CPB (2026) in press, https://doi.org/10.1088/1674-1056/ae7e75