Wetenschappers die op zoek zijn naar een onconventioneel soort supergeleider hebben tot nu toe het meest overtuigende bewijs geleverd dat ze er een hebben gevonden. In een paar papieren, onderzoekers van het Quantum Materials Center (QMC) van de University of Maryland (UMD) en collega's hebben aangetoond dat uraniumditelluride (of UTe ₂ kortom) vertoont veel van de kenmerken van een topologische supergeleider - een materiaal dat nieuwe manieren kan ontsluiten om kwantumcomputers en andere futuristische apparaten te bouwen.

"De natuur kan slecht zijn, " zegt Johnpierre Paglione, een professor in de natuurkunde aan de UMD, de directeur van QMC en senior auteur van een van de kranten. "Er kunnen andere redenen zijn waarom we al deze gekke dingen zien, maar eerlijk, in mijn carrière, Ik heb nog nooit zoiets gezien."

Alle supergeleiders voeren elektrische stromen zonder enige weerstand. Het is een beetje hun ding. De bedrading achter je muren kan deze prestatie niet evenaren, dat is een van de vele redenen waarom al tientallen jaren grote spoelen van supergeleidende draden en geen normale koperdraden worden gebruikt in MRI-machines en andere wetenschappelijke apparatuur.

Maar supergeleiders bereiken hun supergeleiding op verschillende manieren. Sinds het begin van de jaren 2000, wetenschappers hebben gezocht naar een speciaal soort supergeleider, een die gebaseerd is op een ingewikkelde choreografie van de subatomaire deeltjes die daadwerkelijk zijn stroom voeren.

Deze choreografie heeft een verrassende regisseur:een tak van de wiskunde die topologie wordt genoemd. Topologie is een manier om vormen te groeperen die zachtjes in elkaar kunnen worden omgezet door te duwen en te trekken. Bijvoorbeeld, een bal deeg kan worden gevormd tot een brood of een pizzataart, maar je kunt er geen donut van maken zonder er een gat in te prikken. Het resultaat is dat, topologisch gesproken, een brood en een taart zijn identiek, terwijl een donut anders is. In een topologische supergeleider, elektronen dansen om elkaar heen terwijl ze om iets heen cirkelen dat lijkt op het gat in het midden van een donut.

Helaas, er is geen goede manier om een ​​supergeleider open te snijden en in te zoomen op deze elektronische danspasjes. Momenteel, de beste manier om te zien of elektronen al dan niet boogieen op een abstracte donut, is door te observeren hoe een materiaal zich in experimenten gedraagt. Tot nu, geen enkele supergeleider is onomstotelijk topologisch aangetoond, maar de nieuwe papieren laten zien dat UTe ₂ ziet eruit, zwemt en kwaakt als de juiste soort topologische eend.

een studie, door Paglione's team in samenwerking met de groep van Aharon Kapitulnik aan de Stanford University, onthult dat er niet één maar twee soorten supergeleiding gelijktijdig bestaan ​​in UTe ₂ . Met behulp van dit resultaat, evenals de manier waarop licht wordt gewijzigd wanneer het van het materiaal weerkaatst (naast eerder gepubliceerd experimenteel bewijs), ze waren in staat om de soorten supergeleiding die aanwezig zijn te beperken tot twee opties, beide theoretici geloven dat ze topologisch zijn. Ze publiceerden hun bevindingen op 15 juli, 2021, in het journaal Wetenschap .

In een andere studie, een team onder leiding van Steven Anlage, hoogleraar natuurkunde aan de UMD en lid van QMC, onthulde ongewoon gedrag op het oppervlak van hetzelfde materiaal. Hun bevindingen komen overeen met het lang gezochte fenomeen van topologisch beschermde Majorana-modi. Majorana-modi, exotische deeltjes die zich een beetje gedragen als de helft van een elektron, worden voorspeld op het oppervlak van topologische supergeleiders. Deze deeltjes prikkelen wetenschappers vooral omdat ze een basis kunnen vormen voor robuuste kwantumcomputers. Anlage en zijn team rapporteerden hun resultaten in een paper gepubliceerd op 21 mei, 2021 in het journaal Natuurcommunicatie .

Supergeleiders onthullen hun speciale eigenschappen pas onder een bepaalde temperatuur, net zoals water alleen bevriest onder nul Celsius. In normale supergeleiders, elektronen paren tot een congalijn voor twee personen, elkaar volgen door het metaal. Maar in enkele zeldzame gevallen, de elektronenparen voeren een cirkeldans om elkaar heen uit, meer verwant aan een wals. Het topologische geval is nog specialer:de cirkeldans van de elektronen bevat een vortex, als het oog te midden van de wervelende winden van een orkaan. Zodra elektronen op deze manier paren, de vortex is moeilijk te verwijderen, dat is wat een topologische supergeleider onderscheidt van een met een eenvoudige, mooi weer elektronendans.

Terug in 2018, Het Paglione-team, in samenwerking met het team van Nicholas Butch, een adjunct universitair hoofddocent natuurkunde aan de UMD en een natuurkundige aan het National Institute of Standards and Technology (NIST), ontdekte onverwachts dat UTe ₂ was een supergeleider. Meteen, het was duidelijk dat het geen doorsnee supergeleider was. Met name, het leek niet gefaseerd door grote magnetische velden, die normaal supergeleiding vernietigen door de elektronendansparen op te splitsen. Dit was de eerste aanwijzing dat de elektronenparen in UTe ₂ houden elkaar steviger vast dan normaal, waarschijnlijk omdat hun gepaarde dans cirkelvormig is. Dit oogstte veel belangstelling en verder onderzoek van anderen in het veld.

"Het is een soort perfecte storm-supergeleider, "zegt Anlage. "Het combineert een heleboel verschillende dingen die niemand ooit eerder heeft gezien."

in het nieuwe Wetenschap papier, Paglione en zijn medewerkers rapporteerden twee nieuwe metingen die de interne structuur van UTe . onthullen ₂ . Het UMD-team heeft de soortelijke warmte van het materiaal gemeten, die kenmerkt hoeveel energie het kost om het met één graad op te warmen. Ze maten de soortelijke warmte bij verschillende starttemperaturen en zagen deze veranderen naarmate het monster supergeleidend werd.

"Normaal gesproken is er een grote sprong in soortelijke warmte bij de supergeleidende overgang, " zegt Paglione. "Maar we zien dat er eigenlijk twee sprongen zijn. Dus dat is het bewijs van eigenlijk twee supergeleidende overgangen, niet zomaar een. En dat is hoogst ongebruikelijk."

De twee sprongen suggereerden dat elektronen in UTe ₂ kan paren om een ​​van de twee verschillende danspatronen uit te voeren.

Bij een tweede meting het Stanford-team scheen laserlicht op een stuk UTe ₂ en merkte op dat het licht dat terugkaatste een beetje verwrongen was. Als ze licht op en neer stuurden, het gereflecteerde licht deinde meestal op en neer, maar ook een beetje naar links en rechts. Dit betekende dat iets in de supergeleider het licht aan het draaien was en niet losmaakte op zijn weg naar buiten.

Het team van Kapitulnik in Stanford ontdekte ook dat een magnetisch veld UTe . kan dwingen ₂ op de een of andere manier in het draaien van licht. Als ze een magnetisch veld aanleggen dat naar boven wijst terwijl het monster supergeleidend werd, het licht dat eruit komt zou naar links worden gekanteld. Als ze het magnetische veld naar beneden richten, het licht kantelde naar rechts. Dit vertelde de onderzoekers dat, voor de elektronen die in het monster dansen, er was iets speciaals aan de op- en neerwaartse richtingen van het kristal.

Om uit te zoeken wat dit alles betekende voor de elektronen die in de supergeleider dansen, riepen de onderzoekers de hulp in van Daniel F. Agterberg, een theoreticus en professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Wisconsin-Milwaukee en een co-auteur van de Wetenschap papier. Volgens de theorie, de manier waarop uranium- en telluriumatomen zijn gerangschikt in de UTe ₂ kristal stelt elektronenparen in staat om samen te werken in acht verschillende dansconfiguraties. Aangezien uit de soortelijke warmtemeting blijkt dat er twee dansen tegelijkertijd plaatsvinden, Agterberg somde alle verschillende manieren op om deze acht dansen aan elkaar te koppelen. De verwrongen aard van het gereflecteerde licht en de dwingende kracht van een magnetisch veld langs de op-neer-as bracht de mogelijkheden terug tot vier. Eerdere resultaten die de robuustheid van UTe . aantonen ₂ 's supergeleiding onder grote magnetische velden beperkte het verder tot slechts twee van die dansparen, die beide een draaikolk vormen en wijzen op een stormachtige, topologische dans.

"Wat interessant is, is dat, gezien de beperkingen van wat we experimenteel hebben gezien, onze beste theorie wijst op een zekerheid dat de supergeleidende toestand topologisch is, ' zegt Paglione.

Als de aard van supergeleiding in een materiaal topologisch is, de weerstand zal nog steeds naar nul gaan in het grootste deel van het materiaal, maar aan de oppervlakte zal er iets unieks gebeuren:deeltjes, bekend als Majorana-modi, zal verschijnen en een vloeistof vormen die geen supergeleider is. Ook deze deeltjes blijven ondanks defecten in het materiaal of kleine verstoringen vanuit de omgeving aan het oppervlak. Onderzoekers hebben voorgesteld dat, dankzij de unieke eigenschappen van deze deeltjes, ze kunnen een goede basis zijn voor kwantumcomputers. Het coderen van een stuk kwantuminformatie in verschillende Majorana's die ver uit elkaar liggen, maakt de informatie vrijwel immuun voor lokale verstoringen die, tot dusver, zijn de vloek van kwantumcomputers geweest.

Het team van Anlage wilde het oppervlak van UTe . onderzoeken ₂ directer om te zien of ze handtekeningen van deze Majorana-zee konden zien. Om dat te doen, ze stuurden microgolven naar een stuk UTe ₂ , en mat de microgolven die er aan de andere kant uitkwamen. Ze vergeleken de output met en zonder het monster, waardoor ze tegelijkertijd de eigenschappen van de bulk en het oppervlak konden testen.

Het oppervlak laat een afdruk achter op de sterkte van de microgolven, wat leidt tot een uitvoer die synchroon met de invoer op en neer beweegt, maar een beetje ingetogen. Maar aangezien het grootste deel een supergeleider is, het biedt geen weerstand tegen de microgolven en verandert hun sterkte niet. In plaats daarvan, het vertraagt ​​ze, waardoor vertragingen ontstaan ​​waardoor de uitvoer niet synchroon loopt met de invoer. Door te kijken naar de niet-gesynchroniseerde delen van de reactie, de onderzoekers bepaalden hoeveel van de elektronen in het materiaal bij verschillende temperaturen deelnemen aan de gepaarde dans. Ze ontdekten dat het gedrag overeenkwam met de cirkeldansen die door het team van Paglione werden voorgesteld.

Misschien nog belangrijker, het in-sync deel van de microgolfrespons toonde aan dat het oppervlak van UTe ₂ is niet supergeleidend. Dit is ongebruikelijk, aangezien supergeleiding meestal besmettelijk is:als een gewoon metaal dicht bij een supergeleider wordt geplaatst, wordt de supergeleiding naar het metaal verspreid. Maar het oppervlak van UTe ₂ leek geen supergeleiding van de massa te vangen - net zoals verwacht voor een topologische supergeleider - en reageerde in plaats daarvan op de microgolven op een manier die nog niet eerder is gezien.

"Het oppervlak gedraagt ​​zich anders dan alle supergeleiders waar we ooit naar hebben gekeken, ', zegt Anlage. 'En dan is de vraag 'Wat is de interpretatie van dat afwijkende resultaat?' En een van de interpretaties, die in overeenstemming zou zijn met alle andere gegevens, is dat we een topologisch beschermde oppervlaktetoestand hebben die lijkt op een wikkel rond de supergeleider waar je niet vanaf kunt komen."

Het is misschien verleidelijk om te concluderen dat het oppervlak van UTe ₂ is bedekt met een zee van Majorana-modi en verklaart de overwinning. Echter, buitengewone claims vereisen buitengewoon bewijs. Anlage en zijn groep hebben geprobeerd om met elke mogelijke alternatieve verklaring te komen voor wat ze waarnamen en hebben ze systematisch uitgesloten, van oxidatie op het oppervlak tot licht dat de randen van het monster raakt. Nog altijd, het is mogelijk dat een verrassende alternatieve verklaring nog moet worden ontdekt.

"In je achterhoofd denk je altijd 'Oh, misschien waren het kosmische straling', of 'Misschien was het iets anders, '", zegt Anlage. "Je kunt elke andere mogelijkheid nooit 100% uitsluiten."

Voor Paglione's deel, hij zegt dat het rokende pistool niets minder zal zijn dan het gebruik van Majorana-modi op het oppervlak om een ​​kwantumberekening uit te voeren. Echter, zelfs als het oppervlak van UTe ₂ heeft echt een heleboel Majorana-modi, er is momenteel geen eenvoudige manier om ze te isoleren en te manipuleren. Dit kan praktischer zijn met een dunne film van UTe ₂ in plaats van de (gemakkelijker te produceren) kristallen die in deze recente experimenten werden gebruikt.

"We hebben enkele voorstellen om dunne films te maken, "zegt Paglione. "Omdat het uranium is en het is radioactief, het vereist wat nieuwe apparatuur. De volgende taak zou zijn om daadwerkelijk te kijken of we films kunnen laten groeien. En dan zou de volgende taak zijn om te proberen apparaten te maken. Dat zou dus een aantal jaren vergen, maar het is niet gek."

Of UT ₂ blijkt de langverwachte topologische supergeleider te zijn of gewoon een duif die leerde zwemmen en kwaken als een eend, zowel Paglione als Anlage zijn enthousiast om te blijven ontdekken wat het materiaal in petto heeft.

"Het is echter vrij duidelijk dat er veel coole fysica in het materiaal zit, "zegt Anlage. "Of het aan de oppervlakte Majorana's zijn of niet, is zeker een consequente kwestie, maar het is het verkennen van nieuwe natuurkunde, wat het meest opwindende is."