Team viser, hvordan uranditellurid fortsætter med at superledende selv i høje magnetfelter

Superledning er velkendt i såkaldte "konventionelle" superledere. Nyere er imidlertid ukonventionelle superledere, og det er endnu uklart, hvordan de virker.

Et team fra HZDR har sammen med kolleger fra CEA, Tohoku University i Japan og Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids nu forklaret, hvorfor et nyt materiale fortsætter med at superledende selv i ekstremt høje magnetfelter - en egenskab, der mangler i konventionelle superledere. Fundet har potentiale til at muliggøre tidligere ufattelige teknologiske anvendelser. Undersøgelsen er publiceret i Nature Communications .

"Uran ditellurid eller UTe₂ kort sagt, er en high-flyer blandt superledende materialer," siger Dr. Toni Helm fra Dresden High Magnetic Field Laboratory (HLD) ved HZDR. "Som opdaget i 2019 leder forbindelsen elektricitet uden tab, dog på en anden måde end konventionelle superledere gør."

Siden da er forskningsgrupper verden over blevet interesseret i materialet. Dette inkluderer Helms team, som er kommet et skridt tættere på at forstå forbindelsen.

"For fuldt ud at værdsætte hypen omkring materialet, er vi nødt til at se nærmere på superledning," forklarer fysikeren. "Dette fænomen skyldes elektronernes bevægelse i materialet. Hver gang de kolliderer med atomer, mister de energi i form af varme. Det viser sig som elektrisk modstand. Det kan elektroner undgå ved at arrangere sig i parformationer, såkaldte Cooper-par. ."

Et Cooper-par beskriver to elektroner kombineret ved lave temperaturer for at bevæge sig gennem et fast stof uden friktion. De gør brug af de atomare vibrationer omkring dem som en slags bølge, som de kan surfe på uden at miste energi. Disse atomare vibrationer forklarer konventionel superledning.

"I nogle år nu har man dog også kendt superledere, hvor Cooper-par er dannet af effekter, som endnu ikke er fuldt ud forstået," siger fysikeren. En mulig form for ukonventionel superledning er spin-triplet superledning, som menes at gøre brug af magnetiske fluktuationer.

"Der er også metaller, hvor ledningselektronerne samles kollektivt," forklarer Helm. "Sammen kan de skærme materialets magnetisme og opføre sig som en enkelt partikel med - for elektroner - en ekstrem høj masse."

Sådanne superledende materialer er kendt som tung-fermion superledere. UTe₂ , derfor kunne være både en spin-triplet og en tung-fermion superleder, som nuværende eksperimenter antyder. Ud over dette er det sværvægtsverdensmesteren - til dato har ingen andre kendte tung-fermion-superledere ved lignende eller højere magnetiske felter. Dette blev også bekræftet af nærværende undersøgelse.

Ekstremt robust mod magnetiske felter

Superledningsevne afhænger af to faktorer:Den kritiske overgangstemperatur og det kritiske magnetfelt. Hvis temperaturen falder til under den kritiske overgangstemperatur, falder modstanden til nul, og materialet bliver superledende. Eksterne magnetfelter påvirker også superledningsevnen. Hvis disse overstiger en kritisk værdi, kollapser effekten.

"Fysikere har en tommelfingerregel for dette," sagde Helm. "I mange konventionelle superledere er værdien af ​​overgangstemperaturen i Kelvin omtrent en til to gange værdien af ​​den kritiske magnetiske feltstyrke i tesla. I spin-triplet superledere er dette forhold ofte meget højere."

Med deres studier på sværvægteren UTe₂ , har forskerne nu været i stand til at hæve barren endnu højere:Ved en overgangstemperatur på 1,6 kelvin (–271,55°C) når den kritiske magnetfeltstyrke 73 tesla, hvilket sætter forholdet til 45 – hvilket er rekord.

"Indtil nu var tung-fermion superledere af ringe interesse for tekniske anvendelser," forklarer fysikeren. "De har en meget lav overgangstemperatur, og den indsats, der kræves for at afkøle dem, er forholdsvis høj."

Ikke desto mindre kunne deres ufølsomhed over for eksterne magnetiske felter kompensere for denne mangel. Dette skyldes, at tabsfri strømtransport i dag hovedsageligt anvendes i superledende magneter, for eksempel i magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) scannere. De magnetiske felter påvirker dog også selve superlederen.

Et materiale, der kan modstå meget høje magnetfelter og stadig lede elektricitet uden tab, ville repræsentere et stort skridt fremad.

Særlig behandling for et krævende materiale

"Selvfølgelig UTe₂ kan ikke bruges til at lave ledninger til en superledende elektromagnet," siger Helm. "For det første gør materialets egenskaber det uegnet til denne bestræbelse, og for det andet er det radioaktivt. Men det er perfekt egnet til udforskningen af ​​fysikken bag spin-triplet superledning."

På baggrund af deres eksperimenter udviklede forskerne en model, der kunne tjene som forklaring på superledning med ekstrem høj stabilitet mod magnetiske felter. For at gøre dette arbejdede de på prøver med tykkelser på nogle få mikrometer - kun en brøkdel af tykkelsen af ​​et menneskehår (ca. 70 mikrometer). Den radioaktive stråling, der udsendes af prøverne, forbliver derfor meget lavere end den naturlige baggrund.

For at opnå og forme sådan en lille prøve brugte Helm en højpræcisions ionstråle med en diameter på blot et par nanometer som skæreværktøj. UTe₂ er et luftfølsomt materiale. Som følge heraf udfører Helm prøveforberedelsen i vakuum og forsegler dem i epoxidlim bagefter.

"For det endelige bevis på, at vores materiale er en spin-triplet-superleder, ville vi være nødt til at undersøge det spektroskopisk, mens det udsættes for stærke magnetiske felter. Men nuværende spektroskopimetoder kæmper stadig ved magnetfelter over 40 tesla. Sammen med andre teams har vi arbejder også på at udvikle nye teknikker. Dette vil i sidste ende gøre os i stand til at levere et endeligt bevis," siger Helm.

Flere oplysninger: Toni Helm et al., Feltinduceret kompensation af magnetisk udveksling som den mulige oprindelse af reentrant superledning i UTe₂ , Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44183-1

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres