Onderzoekers van de Universiteit van Maryland, het Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie (NIST), het National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) en de Universiteit van Oxford hebben een zeldzaam fenomeen waargenomen dat re-entry supergeleiding wordt genoemd in het materiaal uraniumditelluride. De ontdekking bevordert het pleidooi voor uraniumditelluride als een veelbelovend materiaal voor gebruik in kwantumcomputers.

Bijgenaamd "Lazarus supergeleiding" naar het bijbelse personage dat opstond uit de dood, het fenomeen treedt op wanneer een supergeleidende toestand ontstaat, stort in, komt dan opnieuw naar voren in een materiaal als gevolg van een verandering in een specifieke parameter - in dit geval het aanleggen van een zeer sterk magnetisch veld. De onderzoekers publiceerden hun resultaten op 7 oktober, 2019, in het journaal Natuurfysica .

Ooit afgewezen door natuurkundigen vanwege het schijnbare gebrek aan interessante fysische eigenschappen, uranium ditelluride heeft zijn eigen Lazarus-moment. De huidige studie is de tweede in evenveel maanden (beide gepubliceerd door leden van hetzelfde onderzoeksteam) om ongebruikelijke en verrassende supergeleidingstoestanden in het materiaal aan te tonen.

"Dit is een zeer recent ontdekte supergeleider met tal van ander onconventioneel gedrag, dus het is al raar, " zei Nicholas Butch, een adjunct-assistent-professor natuurkunde aan de UMD en een natuurkundige bij het NIST Center for Neutron Research. "[Lazarus supergeleiding] heeft vrijwel zeker iets te maken met de nieuwheid van het materiaal. Er is daar iets anders aan de hand."

Het vorige onderzoek, gepubliceerd op 16 augustus 2019 in het tijdschrift Wetenschap, beschreef de zeldzame en exotische grondtoestand die bekend staat als spin-triplet supergeleiding in uranium ditelluride. De ontdekking markeerde de eerste aanwijzing dat uraniumditelluride een tweede blik waard is, vanwege de ongebruikelijke fysieke eigenschappen en het hoge potentieel voor gebruik in kwantumcomputers.

"Dit is inderdaad een opmerkelijk materiaal en het houdt ons erg bezig, " zei Johnpierre Paglione, een professor in de natuurkunde aan de UMD, de directeur van UMD's Center for Nanophysics and Advanced Materials (CNAM; binnenkort omgedoopt tot het Quantum Materials Center) en een co-auteur van het artikel. "Uraniumditelluride zou heel goed de 'leerboek' spin-triplet-supergeleider kunnen worden waar mensen al tientallen jaren naar op zoek zijn en het heeft waarschijnlijk meer verrassingen in petto. Het zou het volgende strontiumruthenaat kunnen zijn - een andere voorgestelde spin-triplet-supergeleider die is meer dan 25 jaar gestudeerd."

Supergeleiding is een toestand waarin elektronen met perfecte efficiëntie door een materiaal reizen. Daarentegen, koper - dat op de tweede plaats komt na zilver in termen van zijn vermogen om elektronen te geleiden - verliest ongeveer 20% vermogen over langeafstandstransmissielijnen, terwijl de elektronen tijdens het reizen in het materiaal stoten.

Lazarus supergeleiding is vooral vreemd, omdat sterke magnetische velden gewoonlijk de supergeleidende toestand in de overgrote meerderheid van materialen vernietigen. In uraniumditelluride, echter, een sterk magnetisch veld in combinatie met specifieke experimentele omstandigheden zorgde ervoor dat Lazarus-supergeleiding niet slechts één keer ontstond, maar twee keer.

voor Butch, Paglione en hun team, de ontdekking van deze zeldzame vorm van supergeleiding in uraniumditelluride was serendipiteit; de hoofdauteur van de studie, CNAM-onderzoeksmedewerker Sheng Ran, het kristal per ongeluk gesynthetiseerd tijdens een poging om een ​​andere op uranium gebaseerde verbinding te produceren. Het team besloot toch wat experimenten uit te proberen, ook al had eerder onderzoek naar de verbinding niets ongewoons opgeleverd.

De nieuwsgierigheid van het team werd al snel vele malen beloond. In de eerdere Science-paper, de onderzoekers meldden dat de supergeleiding van uraniumditelluride gepaard ging met ongebruikelijke elektronenconfiguraties die spin-triplets worden genoemd, waarin elektronenparen in dezelfde richting zijn uitgelijnd. In de overgrote meerderheid van supergeleiders, de oriëntaties - spins genoemd - van gepaarde elektronen wijzen in tegengestelde richtingen. Deze paren worden (enigszins contra-intuïtief) singlets genoemd. Magnetische velden kunnen singlets gemakkelijker verstoren, supergeleiding doden.

Spin triplet supergeleiders, echter, kan veel hogere magnetische velden weerstaan. De vroege bevindingen van het team leidden hen naar NHMFL, waar een unieke combinatie van magneten met een zeer hoog veld, capabele instrumentatie en lokale expertise stelden de onderzoekers in staat om uraniumditelluride nog verder te duwen.

In het laboratorium, het team testte uraniumditelluride in enkele van de hoogste beschikbare magnetische velden. Door het materiaal bloot te stellen aan magnetische velden tot 65 tesla - meer dan 30 keer de sterkte van een typische MRI-magneet - probeerde het team de bovengrens te vinden waarbij de magnetische velden de supergeleiding van het materiaal verpletterden. Butch en zijn team experimenteerden ook met het oriënteren van het uraniumditelluridekristal onder verschillende hoeken ten opzichte van de richting van het magnetische veld.

Bij ongeveer 16 tesla, de supergeleidende toestand van het materiaal veranderde abrupt. Terwijl het stierf in de meeste experimenten, het bleef bestaan ​​​​wanneer het kristal werd uitgelijnd onder een zeer specifieke hoek ten opzichte van het magnetische veld. Dit ongewone gedrag ging door tot ongeveer 35 tesla's, op welk punt alle supergeleiding verdween en de elektronen hun uitlijning verschoven, een nieuwe magnetische fase ingaan.

Terwijl de onderzoekers het magnetische veld vergrootten terwijl ze bleven experimenteren met hoeken, ze ontdekten dat een andere oriëntatie van het kristal nog een andere supergeleidende fase opleverde die aanhield tot ten minste 65 tesla, de maximale veldsterkte die het team heeft getest. Het was een recordbrekende prestatie voor een supergeleider en het was de eerste keer dat twee veldgeïnduceerde supergeleidende fasen in dezelfde verbinding werden gevonden.

In plaats van supergeleiding in uraniumditelluride te doden, hoge magnetische velden leken het te stabiliseren. Hoewel het nog niet precies duidelijk is wat er op atomair niveau gebeurt, Butch zei dat het bewijs wijst op een fenomeen dat fundamenteel anders is dan alles wat wetenschappers tot nu toe hebben gezien.

"Ik ga erop uit en zeg dat deze waarschijnlijk anders zijn - quantum mechanisch anders - van andere supergeleiders die we kennen, "Zei Butch. "Het is voldoende anders, I denk, om te verwachten dat het een tijdje zal duren om erachter te komen wat er aan de hand is."

Bovenop zijn conventie-tartende fysica, uranium ditelluride vertoont elk teken dat het een topologische supergeleider is, net als andere spin-triplet supergeleiders, voegde Butch toe. De topologische eigenschappen suggereren dat het een bijzonder nauwkeurig en robuust onderdeel zou kunnen zijn in de kwantumcomputers van de toekomst.

"De ontdekking van deze Lazarus-supergeleiding op recordhoge velden is een van de belangrijkste ontdekkingen die uit dit laboratorium zijn voortgekomen in zijn 25-jarige geschiedenis, " zei NHMFL-directeur Greg Boebinger. "Het zou me niet verbazen als het ontrafelen van de mysteries van uraniumditelluride in de toekomst tot nog vreemdere manifestaties van supergeleiding leidt."