Wetenschap
Echografie-experiment identificeert nieuwe supergeleider
Met geluidspulsen door kleine luidsprekers hebben natuurkundeonderzoekers van Cornell de fundamentele aard van een nieuwe supergeleider opgehelderd.
Sinds ongeveer vijf jaar geleden werd ontdekt dat uraniumditelluride een supergeleider is, heeft het veel opschudding veroorzaakt in de gemeenschap van kwantummaterialen – en veel verwarring, met meer dan een dozijn theorieën over de ware aard van zijn supergeleidende eigenschappen. Sommigen suggereerden waardevolle mogelijkheden voor kwantumcomputers.
In een experiment hebben Brad Ramshaw, universitair hoofddocent natuurkunde aan het College of Arts and Sciences (A&S) en collega's echografie gebruikt om direct bewijs te verzamelen dat uraniumditelluride een supergeleidende ordeparameter uit één component heeft, waardoor een meer exotisch type supergeleider wordt uitgesloten. dat zou opwindend nieuws zijn geweest voor quantum computing. Maar het vaststellen van een basislijn van gegevens voor de intrinsieke supergeleiding van het materiaal laat nog steeds de deur open voor het ontdekken van aanvullende complexe mogelijkheden door verder onderzoek.
Uit het experiment blijkt dat recente technische ontwikkelingen in het Ramshaw-lab puls-echo-echografie, waarbij geluidspulsen worden gebruikt om de mechanische stijfheid van kwantummaterialen te onderzoeken, een betrouwbare en wenselijke techniek maken voor het onderzoeken van supergeleidende materialen.
Het onderzoeksrapport, getiteld "Single-component Superconductivity in UTe2 bij omgevingsdruk", is gepubliceerd in Nature Physics . Ramshaw is corresponderend auteur met promovendus Florian Theuss als eerste auteur. Doctoraalstudent Avi Shragai en voormalig postdoctoraal onderzoeker Gael Grissonnanche, nu faculteit aan het Institut Polytechnique in Parijs, droegen bij, samen met medewerkers van de Universiteit van Maryland en de Universiteit van Wisconsin, Milwaukee.
"Alle supergeleiders hebben geen weerstand, maar op een subtieler niveau zijn er verschillende soorten supergeleiders", zei Ramshaw. "Onderzoekers zijn geïnteresseerd in het vinden van deze verschillende smaken, omdat we ten eerste niet eens weten of ze bestaan, ook al weten we in theorie dat ze kunnen bestaan. En ten tweede kunnen ze worden gebruikt in technologieën zoals kwantumberekeningen. Je hebt nieuwe nodig soorten supergeleiders voor nieuwe technologieën."
Een vreemde combinatie van eigenschappen in uraniumditelluride suggereerde in eerste instantie dat het dit nieuwe type supergeleider zou kunnen zijn. De kritische temperatuur – hoe koud het moet worden voordat het in een supergeleidende toestand overgaat – is relatief laag, ongeveer 2 Kelvin. Maar de lage kritische temperatuur gaat gepaard met een zeer hoog kritisch veld:de maatstaf voor hoeveel magnetisch veld het kan weerstaan voordat de supergeleidende toestand instort.
"Normaal gesproken zouden we verwachten dat het bestand is tegen één of twee tesla, maar het kan ongeveer 60 tesla weerstaan", zei Ramshaw. "Het is bijna 100 keer sterker dan welk magnetisch veld dan ook dat je in het dagelijks leven tegenkomt. Dat vertelt ons dat er iets vreemds aan de hand is, namelijk dat het misschien een van die nieuwe smaken van supergeleiding is."
Ramshaw en zijn medewerkers wilden ontdekken of het materiaal – zoals sommige theorieën en bestaande experimenten hadden voorspeld – een uit meerdere componenten bestaande supergeleidende ordeparameter heeft, die exotische effecten met zich meebrengt; of een orderparameter met één component, nog steeds potentieel exotisch maar veel beperkter.
Theuss leidde een experiment met behulp van puls-echo-echografie op een monster van 1 millimeter bij 1 millimeter om de wisselwerking tussen de structuur en supergeleiding in uraniumditelluride bloot te leggen. De techniek meet de snelheid van een geluidspuls die door een materiaal beweegt, hetzelfde principe als medische echografie. Het verschil is dat de onderzoekers in plaats van beelden te produceren de geluidssnelheid hebben gemeten om de verandering in stijfheid van het materiaal te detecteren terwijl het afkoelde tot en voorbij de kritische temperatuur.
"We kunnen de afstand tussen de geluidsecho's met fenomenale precisie meten. Dat is de echte kracht van het experiment", zei Ramshaw.
Kleine luidsprekers (transducers) die aan het monster waren bevestigd, pompten een geluidspuls rechtstreeks in het materiaal in drie verschillende richtingen, waarbij zowel drie compressiegolven als drie schuifgolven werden gemeten:de zijwaartse trillingen die alleen aanwezig zijn in vaste stoffen.
Bij de kritische temperatuur vertoonden compressiegolven een plotselinge daling waarbij de geluidssnelheid kelderde, zoals verwacht voor alle supergeleiders. Shear-golven vertoonden echter geen dergelijke daling.
"Als het een van de exotische vormen van supergeleiding was die mensen voorstelden, zouden deze schuifgolven ook een daling hebben gehad", zei Ramshaw.
De onderzoekers leveren direct bewijs dat dit materiaal een ordeparameter van één component heeft. Deze conclusie doet echter niets af aan de opwinding over de supergeleiding in uraniumditelluride, dat veel interessante aspecten heeft die verder onderzoek waard zijn, waaronder de buitengewoon sterke afkeer van magnetisme.
Het toepassen van druk of magnetische velden onder de kritische temperatuur zou het type supergeleiding kunnen veranderen, en misschien zelfs de ongrijpbare tweecomponenten spin-triplet-supergeleiding kunnen creëren, zei Ramshaw. Het huidige onderzoek biedt een op gegevens gebaseerd startpunt.
"Er zit zeker nog meer in dit materiaal. We zijn nog maar net begonnen", zegt Theuss, die een groot deel van zijn Ph.D. met uraniumditelluride heeft gewerkt. kandidatuur. "Maar als je deze ingewikkelde dingen wilt uitleggen, moet je beginnen bij de fundamentele intrinsieke feiten van de supergeleiding in UTe2 ."