Sjælden Lazarus superledning observeret i lovende, genfundet materiale

Forskere fra University of Maryland, National Institute of Standards and Technology (NIST), National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) og University of Oxford har observeret et sjældent fænomen kaldet re-entrant superconductivity i materialet uranium ditellurid. Opdagelsen fremmer sagen for uranditellurid som et lovende materiale til brug i kvantecomputere.

Kaldenavnet "Lazarus superledning" efter den bibelske karakter, der opstod fra de døde, fænomenet opstår, når en superledende tilstand opstår, bryder sammen, dukker derefter op igen i et materiale på grund af en ændring i en specifik parameter - i dette tilfælde, anvendelsen af ​​et meget stærkt magnetfelt. Forskerne offentliggjorde deres resultater den 7. oktober, 2019, i journalen Naturfysik .

Engang blevet afvist af fysikere for dens tilsyneladende mangel på interessante fysiske egenskaber, uranditellurid har sit eget Lazarus-øjeblik. Den nuværende undersøgelse er den anden på lige så mange måneder (begge udgivet af medlemmer af det samme forskerhold), der viser usædvanlige og overraskende superledningstilstande i materialet.

"Dette er en meget nyligt opdaget superleder med en række andre ukonventionelle adfærd, så det er allerede mærkeligt, " sagde Nicholas Butch, en adjungeret adjunkt i fysik ved UMD og en fysiker ved NIST Center for Neutron Research. "[Lazarus superledning] har næsten helt sikkert noget at gøre med materialets nyhed. Der foregår noget anderledes derinde."

Den tidligere forskning, offentliggjort den 16. august, 2019 i tidsskriftet Science, beskrev den sjældne og eksotiske grundtilstand kendt som spin-triplet-superledning i uranditellurid. Opdagelsen markerede det første fingerpeg om, at uranditellurid er værd at se endnu engang, på grund af dets usædvanlige fysiske egenskaber og dets høje potentiale for brug i kvantecomputere.

"Dette er virkelig et bemærkelsesværdigt materiale, og det holder os meget travlt, sagde Johnpierre Paglione, en professor i fysik ved UMD, direktøren for UMD's Center for Nanophysics and Advanced Materials (CNAM; snart omdøbt til Quantum Materials Center) og en medforfatter af papiret. "Uranium ditellurid kan meget vel blive 'lærebogen' spin-triplet-superleder, som folk har søgt i snesevis af år, og det har sandsynligvis flere overraskelser i vente. Det kunne være det næste strontiumruthenat - en anden foreslået spin-triplet-superleder, der har været studeret i mere end 25 år."

Superledning er en tilstand, hvor elektroner rejser gennem et materiale med perfekt effektivitet. Derimod kobber - som kun er næst efter sølv med hensyn til dets evne til at lede elektroner - mister omkring 20 % strøm over langdistancetransmissionsledninger, da elektronerne bumper rundt i materialet under rejsen.

Lazarus superledning er især mærkeligt, fordi stærke magnetfelter normalt ødelægger den superledende tilstand i langt de fleste materialer. I uran ditellurid, imidlertid, et stærkt magnetfelt kombineret med specifikke eksperimentelle forhold fik Lazarus superledning til at opstå ikke kun én gang, men to gange.

For Butch, Paglione og deres team, opdagelsen af ​​denne sjældne form for superledning i uranditellurid var serendipitøs; undersøgelsens hovedforfatter, CNAM Research Associate Sheng Ran, syntetiserede krystallen ved et uheld, mens de forsøgte at producere en anden uranbaseret forbindelse. Holdet besluttede alligevel at prøve nogle eksperimenter, selvom tidligere forskning i forbindelsen ikke havde givet noget usædvanligt.

Holdets nysgerrighed blev hurtigt belønnet mange gange. I den tidligere Science-opgave, forskerne rapporterede, at uranditellurids superledningsevne involverede usædvanlige elektronkonfigurationer kaldet spintripletter, hvor elektronpar er justeret i samme retning. I langt de fleste superledere, orienteringerne - kaldet spins - af parrede elektroner peger i modsatte retninger. Disse par kaldes (noget kontraintuitivt) singletter. Magnetiske felter kan lettere forstyrre singletter, dræber superledning.

Spin triplet superledere, imidlertid, kan modstå meget højere magnetfelter. Holdets tidlige resultater førte dem til NHMFL, hvor en unik kombination af meget højfeltsmagneter, dygtig instrumentering og beboerekspertise gjorde det muligt for forskerne at skubbe uranditellurid endnu længere.

I laboratoriet, holdet testede uranditellurid i nogle af de højeste magnetiske felter, der er tilgængelige. Ved at udsætte materialet for magnetiske felter op til 65 teslaer - mere end 30 gange styrken af ​​en typisk MRI-magnet - forsøgte holdet at finde den øvre grænse, hvor magnetfelterne knuste materialets superledningsevne. Butch og hans team eksperimenterede også med at orientere uranditelluridkrystallen i flere forskellige vinkler i forhold til magnetfeltets retning.

Ved omkring 16 teslaer, materialets superledende tilstand ændrede sig brat. Mens den døde i de fleste eksperimenter, det fortsatte, når krystallen var justeret i en meget specifik vinkel i forhold til magnetfeltet. Denne usædvanlige adfærd fortsatte indtil omkring 35 teslaer, på hvilket tidspunkt al superledning forsvandt, og elektronerne ændrede deres justering, går ind i en ny magnetisk fase.

Da forskerne øgede magnetfeltet, mens de fortsatte med at eksperimentere med vinkler, de fandt ud af, at en anden orientering af krystallen gav endnu en superledende fase, der varede til mindst 65 teslaer, den maksimale feltstyrke holdet testede. Det var en rekord-sprængende præstation for en superleder og markerede første gang to felt-inducerede superledende faser er blevet fundet i den samme forbindelse.

I stedet for at dræbe superledningsevnen i uranditellurid, høje magnetiske felter syntes at stabilisere det. Selvom det endnu ikke er klart præcist, hvad der sker på atomniveau, Butch sagde, at beviserne peger på et fænomen, der er fundamentalt anderledes end noget, videnskabsmænd har set til dato.

"Jeg har tænkt mig at gå ud og sige, at disse sandsynligvis er forskellige - kvantemekanisk forskellige - fra andre superledere, som vi kender til, " sagde Butch. "Det er tilstrækkeligt anderledes, Jeg tror, at forvente, at det vil tage et stykke tid at finde ud af, hvad der sker."

Ud over dens konventionsstridige fysik, uran ditellurid viser alle tegn på at være en topologisk superleder, som andre spin-triplet superledere, Butch tilføjede. Dets topologiske egenskaber tyder på, at det kunne være en særlig præcis og robust komponent i fremtidens kvantecomputere.

"Opdagelsen af ​​denne Lazarus-superledning på rekordhøje felter er blandt de vigtigste opdagelser, der er dukket op fra dette laboratorium i dets 25-årige historie, " sagde NHMFL-direktør Greg Boebinger. "Jeg ville ikke blive overrasket, hvis opklaringen af ​​mysterierne om uranditellurid fører til endnu mærkeligere manifestationer af superledning i fremtiden."