Ultralydseksperiment identificerer ny superleder

Med lydimpulser gennem små højttalere har Cornell-fysikforskere klarlagt den grundlæggende karakter af en ny superleder.

Siden det blev fundet at være en superleder for omkring fem år siden, har uranditellurid skabt en masse buzz i kvantematerialesamfundet - og en masse forvirring med mere end et dusin teorier om den sande natur af dets superledende egenskaber. Nogle foreslog værdifulde muligheder for kvanteberegning.

I et eksperiment har Brad Ramshaw, lektor i fysik ved College of Arts and Sciences (A&S) og kolleger brugt ultralyd til at indsamle direkte beviser for, at uranditellurid har en enkeltkomponent superledende ordensparameter, hvilket udelukker en mere eksotisk type superleder. det ville have været spændende nyheder for kvanteberegning. Men at sætte en baseline af data for materialets iboende superledningsevne lader stadig døren stå åben for at opdage yderligere komplekse muligheder gennem yderligere undersøgelser.

Eksperimentet fastslår, at den seneste tekniske udvikling i Ramshaw-laboratoriet laver puls-ekko-ultralyd, som bruger lydimpulser til at undersøge den mekaniske stivhed af kvantematerialer, en pålidelig og ønskværdig teknik til at undersøge superledende materialer.

Forskningsrapporten med titlen "Single-component Superconductivity in UTe₂ at Ambient Pressure," er udgivet i Nature Physics . Ramshaw er korresponderende forfatter med ph.d.-studerende Florian Theuss som førsteforfatter. Doktorstuderende Avi Shragai og tidligere postdoc-forsker Gael Grissonnanche, nu fakultet ved Institut Polytechnique i Paris, bidrog sammen med samarbejdspartnere fra University of Maryland og University of Wisconsin, Milwaukee.

"Alle superledere har nul modstand, men på et mere subtilt niveau er der forskellige varianter af superledere," sagde Ramshaw. "Forskere er interesserede i at finde disse forskellige smagsvarianter, fordi vi ikke engang ved, om de eksisterer, selvom vi i teorien ved, at de kan eksistere. Og to, de kan bruges i teknologier som kvanteberegning. Du har brug for nye typer af superledere til nye teknologier."

En mærkelig kombination af egenskaber i uranditellurid antydede først, at det kunne være denne nye type superleder. Dens kritiske temperatur - hvor kold den skal blive, før den går over i en superledende tilstand - er relativt lav, omkring 2 Kelvin. Men dens lave kritiske temperatur er parret med et meget højt kritisk felt - målet for, hvor meget magnetfelt det kan modstå, før den superledende tilstand kollapser.

"Vi ville normalt forvente, at den kunne modstå en eller to teslaer, men den kan modstå omkring 60," sagde Ramshaw. "Det er næsten 100 gange stærkere end ethvert magnetfelt, du vil støde på i hverdagen. Det fortæller os, at der er noget mærkeligt, at det måske er en af ​​de nye varianter af superledning."

Ramshaw og hans samarbejdspartnere ønskede at finde ud af, om materialet har - som nogle teorier og eksisterende eksperimenter havde forudsagt - en multikomponent superledende ordensparameter, der medfører eksotiske effekter; eller enkelt-komponent rækkefølge parameter, stadig potentielt eksotisk, men meget mere begrænset.

Theuss ledede et eksperiment ved hjælp af puls-ekko-ultralyd på en 1-millimeter gange 1-millimeter prøve for at afdække samspillet mellem strukturen og superledningsevnen i uranditellurid. Teknikken måler hastigheden af ​​en lydimpuls, der bevæger sig gennem et materiale, det samme princip som medicinsk ultralydsbilleddannelse. Forskellen er, at forskerne i stedet for at producere billeder målte lydhastigheden for at detektere ændringen i materialets stivhed, da det kølede ned til og forbi den kritiske temperatur.

"Vi kan måle afstanden mellem lydekkoerne med fænomenal præcision. Det er eksperimentets virkelige kraft," sagde Ramshaw.

Små højttalere (transducere), der er knyttet til prøven, pumpede en lydimpuls direkte ind i materialet i tre forskellige retninger, og målte både tre kompressionsbølger og tre forskydningsbølger – de side-til-side vibrationer, der kun findes i faste stoffer.

Ved den kritiske temperatur viste kompressionsbølger et pludseligt fald, hvor lydens hastighed styrtdykkede, som forventet for alle superledere. Forskydningsbølger viste dog ikke noget sådant fald.

"Hvis det var en af ​​de eksotiske typer af superledning, folk foreslog, ville disse forskydningsbølger også have haft et fald," sagde Ramshaw.

Forskerne giver direkte beviser for, at dette materiale har en enkeltkomponent ordensparameter. Denne konklusion dæmper dog ikke begejstringen over superledningsevne i uranditellurid, som har mange interessante aspekter, der er værd at studere nærmere, inklusive dets ekstraordinært stærke afvisning af magnetisme.

Påføring af tryk eller magnetiske felter under den kritiske temperatur kan ændre typen af ​​superledning, måske endda skabe den undvigende to-komponent spin-triplet superledning, sagde Ramshaw. Den aktuelle undersøgelse giver et databaseret sted at begynde.

"Der er bestemt mere at komme i dette materiale. Vi er kun lige begyndt," sagde Theuss, der har arbejdet med uranditellurid i en stor del af sin ph.d. kandidatur. "Men hvis du vil forklare disse komplicerede ting, skal du starte med de grundlæggende iboende fakta om superledningsevnen i UTe₂ ."

Flere oplysninger: Florian Theuss et al., Single-component superconductivity in UTe₂ ved omgivende tryk, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02493-1

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Cornell University