Изследователи от Университета в Мериленд, Националния институт за стандарти и технологии (NIST), Националната лаборатория за високо магнитно поле (NHMFL) и Университета в Оксфорд са наблюдавали рядък феномен, наречен повторно влизане свръхпроводимост в материала уран дителурид. Откритието подкрепя случая с уран дителурид като обещаващ материал за използване в квантовите компютри.

свръхпроводимост

С прякор „Лазарова свръхпроводимост“ на библейския герой, възкръснал от мъртвите, явлението възниква, когато свръхпроводящо състояние възникне, се разпадне, след това се появи отново в материал поради промяна в определен параметър - в този случай приложението на много силно магнитно поле. Изследователите публикуваха резултатите си на 7 октомври 2019 г. в списание Nature Physics.

Веднъж уволнен от физиците поради очевидната му липса на интересни физически свойства, уран дителуридът има свой собствен Лазаров момент. Настоящото проучване е второто от толкова месеци (и двете публикувани от членове на един и същ изследователски екип), които демонстрират необичайни и изненадващи състояния на свръхпроводимост в материала.

„Това е съвсем наскоро открит свръхпроводник с множество други нестандартни поведения, така че вече е странно“, казва Никълъс Бъч, помощник-професор по физика в UMD и физик в NIST Центъра за неутронни изследвания. "[Свръхпроводимостта на Лазар] почти със сигурност има нещо общо с новостта на материала. Там има нещо различно."

Предишното изследване, публикувано на 16 август 2019 г. в списание Science, описва рядкото и екзотично основно състояние, известно като спин-триплет свръхпроводимост в уран дителурид. Откритието бе първата улика, че урановият дителурид си заслужава втори поглед, поради неговите необичайни физични свойства и високия му потенциал за използване в квантовите компютри.

„Това наистина е забележителен материал и ни кара да сме много заети“, каза Джонпиер Паглионе, професор по физика в UMD, директор на Центъра за нанофизика и усъвършенствани материали на UMD (CNAM; скоро ще бъде преименуван на Център за квантови материали) и съавтор на статията. "Уран дителурид може много да се превърне в" учебник "спин-триплет свръхпроводник, който хората търсят от десетки години и вероятно има още изненади. Може да бъде следващият стронциев рутенат - друг предложен спин-триплет свръхпроводник, който има се изучава повече от 25 години. "

Свръхпроводимостта е състояние, при което електроните пътуват през материал с перфектна ефективност. За разлика от това, медта - която е на второ място след среброто по способността си да провежда електрони - губи приблизително 20% мощност от далекопроводи, тъй като електроните се блъскат в материала по време на пътуване.

Свръхпроводимостта на Лазар е особено странна, защото силните магнитни полета обикновено разрушават свръхпроводимото състояние в по-голямата част от материалите. В урановия дителурид обаче силно магнитно поле, съчетано със специфични експериментални условия, доведе до появата на свръхпроводимост на Лазар не само веднъж, но два пъти.

За Butch, Paglione и техния екип откритието на тази рядка форма на свръхпроводимост в уран дителурид е необичайно; водещият автор на изследването, изследовател на CNAM Sheng Ran, синтезира кристала случайно, докато се опитва да произведе друго съединение на основата на уран. Екипът все пак реши да опита някои експерименти, въпреки че предишните изследвания на съединението не дадоха нищо необичайно.

Любопитството на отбора скоро беше възнаградено многократно. В по-ранната научна статия изследователите съобщават, че свръхпроводимостта на уран дителурид включва необичайни електронни конфигурации, наречени спинови триплети, в които двойки електрони са подравнени в една и съща посока. В по-голямата част от свръхпроводниците ориентациите - наречени спинове - на сдвоените електрони сочат в противоположни посоки. Тези двойки се (донякъде контраинтуитивно) наричат ​​синглети. Магнитните полета могат по-лесно да разрушат синглите, убивайки свръхпроводимостта.

Спиновите триплетни свръхпроводници обаче могат да издържат на много по-високи магнитни полета. Ранните открития на екипа ги доведоха до NHMFL, където уникална комбинация от магнити с много високо поле, способни прибори и експертиза на резидентите позволиха на изследователите да прокарат още по-нататък урановия дителурид.

В лабораторията екипът тества уран дителурид в някои от най-високите налични магнитни полета. Излагайки материала на магнитни полета до 65 тесла - повече от 30 пъти силата на типичен магнит за ядрено-магнитен резонанс - екипът се опита да намери горната граница, при която магнитните полета смачкват свръхпроводимостта на материала. Бъч и неговият екип също експериментираха с ориентиране на кристала на уран дителурид под няколко различни ъгли спрямо посоката на магнитното поле.

При около 16 тесла свръхпроводящото състояние на материала рязко се промени. Въпреки че той умира в повечето експерименти, той продължава, когато кристалът е подравнен под много специфичен ъгъл спрямо магнитното поле. Това необичайно поведение продължи до около 35 тесла, в който момент цялата свръхпроводимост изчезна и електроните изместиха своето изравняване, навлизайки в нова магнитна фаза.

Тъй като изследователите увеличават магнитното поле, докато продължават да експериментират с ъгли, те откриват, че различната ориентация на кристала води до още една свръхпроводяща фаза, която се запазва до най-малко 65 тесла, максималната сила на полето, тествана от екипа. Това беше рекордно представяне за свръхпроводник и отбеляза за първи път, че две индуцирани от полето свръхпроводящи фази са открити в едно и също съединение.

Вместо да убият свръхпроводимостта в уран дителурид, изглежда, че високите магнитни полета го стабилизират. Въпреки че все още не е ясно какво точно се случва на атомно ниво, Бъч каза, че доказателствата сочат към явление, коренно различно от всичко, което учените са виждали до момента.

"Ще изляза на крайник и ще кажа, че те вероятно са различни - квантово механично различни - от другите свръхпроводници, за които знаем", каза Бъч. "Мисля, че е достатъчно различно, за да очаквам, че ще отнеме известно време, за да разбера какво става."

В допълнение към своята физика, която се противопоставя на конвенциите, уран дителуридът показва всички признаци, че е топологичен свръхпроводник, както и другите спин-триплет свръхпроводници, добави Бъч. Неговите топологични свойства предполагат, че той може да бъде особено точен и стабилен компонент в квантовите компютри на бъдещето.

„Откриването на тази„ свръхпроводимост на Лазар “в рекордно високи полета вероятно ще бъде сред най-важните открития, които се появяват от тази лаборатория в нейната 25-годишна история,“ заяви директорът на NHMFL Грег Бобингер. "Не бих се изненадал, ако разгадаването на загадките на уран дителурид доведе до още по-странни прояви на свръхпроводимост в бъдеще."

Това съобщение е адаптирано от текст, предоставен от Националната лаборатория за високо магнитно поле.

В допълнение към Butch, Paglione и Ran, свързани с UMD съавтори на изследователския труд включват изследовател по физика Yun Suk Eo; аспиранти по физика I-Lin Liu, Daniel Campbell и Christopher Eckberg; студент по физика Пол Невес, асистент по физика Уесли Фурман; CNAM (QMC) асистент изследовател Hyunsoo Kim и CNAM (QMC) асоцииран изследовател Shanta Saha.