Supergeleiding is goed bekend in zogenaamde "conventionele" supergeleiders. Recenter zijn echter de onconventionele supergeleiders, en het is nog onduidelijk hoe ze werken.

Een team van HZDR heeft, samen met collega's van CEA, de Tohoku Universiteit in Japan en het Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van Vaste Stoffen, nu uitgelegd waarom een ​​nieuw materiaal zelfs in extreem hoge magnetische velden supergeleidend blijft – een eigenschap die ontbreekt in conventionele supergeleiders. De bevinding heeft het potentieel om voorheen ondenkbare technologische toepassingen mogelijk te maken. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications .

"Uraniumditelluride, of UTe₂ kortom, is een hoogvlieger onder de supergeleidende materialen", zegt Dr. Toni Helm van het Dresden High Magnetic Field Laboratory (HLD) bij HZDR. "Zoals ontdekt in 2019 geleidt de verbinding elektriciteit zonder verlies, maar op een andere manier dan conventionele supergeleiders."

Sindsdien zijn onderzoeksgroepen over de hele wereld geïnteresseerd geraakt in het materiaal. Dit geldt ook voor het team van Helm, dat een stap dichter bij het begrijpen van de compound is gekomen.

"Om de hype rond het materiaal ten volle te kunnen waarderen, moeten we de supergeleiding nader bekijken", legt de natuurkundige uit. “Dit fenomeen is het gevolg van de beweging van elektronen in het materiaal. Telkens wanneer ze botsen met atomen, verliezen ze energie in de vorm van warmte. Dit manifesteert zich als elektrische weerstand. Elektronen kunnen dit vermijden door zichzelf in paarformaties te rangschikken, zogenaamde Cooper-paren. ."

Een Cooper-paar beschrijft twee elektronen die bij lage temperaturen worden gecombineerd om zonder wrijving door een vaste stof te bewegen. Ze gebruiken de atoomtrillingen om hen heen als een soort golf waarop ze kunnen surfen zonder energie te verliezen. Deze atomaire trillingen verklaren de conventionele supergeleiding.

‘Sinds enkele jaren zijn er echter ook supergeleiders bekend waarbij Cooper-paren worden gevormd door effecten die nog niet volledig worden begrepen’, zegt de natuurkundige. Een mogelijke vorm van onconventionele supergeleiding is de spin-triplet-supergeleiding, waarbij wordt aangenomen dat deze gebruik maakt van magnetische fluctuaties.

‘Er zijn ook metalen waarin de geleidingselektronen collectief samenkomen’, legt Helm uit. "Samen kunnen ze het magnetisme van het materiaal afschermen en zich gedragen als een enkel deeltje met – voor elektronen – een extreem hoge massa."

Dergelijke supergeleidende materialen staan ​​bekend als supergeleiders van zware fermionen. UTe₂ zou daarom zowel een spin-triplet als een supergeleider met zware fermionen kunnen zijn, zoals huidige experimenten suggereren. Daarnaast is het de wereldkampioen zwaargewicht – tot op heden zijn er geen andere bekende supergeleiders van zware fermionen met vergelijkbare of hogere magnetische velden. Ook dit werd bevestigd door de huidige studie.

Extreem robuust tegen magnetische velden

Supergeleiding is afhankelijk van twee factoren:de kritische overgangstemperatuur en het kritische magnetische veld. Als de temperatuur onder de kritische overgangstemperatuur daalt, daalt de weerstand naar nul en wordt het materiaal supergeleidend. Externe magnetische velden beïnvloeden ook de supergeleiding. Als deze een kritische waarde overschrijden, stort het effect in.

"Natuurkundigen hebben hiervoor een vuistregel", zei Helm. "In veel conventionele supergeleiders is de waarde van de overgangstemperatuur in Kelvin grofweg één tot twee keer de waarde van de kritische magnetische veldsterkte in Tesla. In spin-triplet-supergeleiders is deze verhouding vaak veel hoger."

Met hun studies over de zwaargewicht UTe₂ zijn de onderzoekers er nu in geslaagd de lat nog hoger te leggen:bij een overgangstemperatuur van 1,6 kelvin (–271,55°C) bereikt de kritische magnetische veldsterkte 73 tesla, wat de verhouding op 45 brengt – wat een record is.

‘Tot nu toe waren supergeleiders van zware fermionen van weinig belang voor technische toepassingen’, legt de natuurkundige uit. "Ze hebben een zeer lage overgangstemperatuur en de inspanning die nodig is om ze af te koelen is relatief hoog."

Niettemin zou hun ongevoeligheid voor externe magnetische velden deze tekortkoming kunnen compenseren. Dit komt doordat verliesvrij stroomtransport tegenwoordig vooral wordt gebruikt in supergeleidende magneten, bijvoorbeeld in MRI-scanners (magnetic resonance imaging). De magnetische velden beïnvloeden echter ook de supergeleider zelf.

Een materiaal dat zeer hoge magnetische velden kan weerstaan ​​en toch elektriciteit zonder verlies kan geleiden, zou een grote stap voorwaarts betekenen.

Speciale behandeling voor een veeleisend materiaal

"Natuurlijk, UTe₂ kan niet worden gebruikt om kabels te maken voor een supergeleidende elektromagneet", zegt Helm. "Ten eerste maken de eigenschappen van het materiaal het ongeschikt voor dit streven, en ten tweede is het radioactief. Maar het is perfect geschikt voor de verkenning van de fysica achter spin-triplet-supergeleiding."

Op basis van hun experimenten ontwikkelden de onderzoekers een model dat zou kunnen dienen als verklaring voor supergeleiding met extreem hoge stabiliteit tegen magnetische velden. Om dit te doen, werkten ze aan monsters met een dikte van enkele micrometers – slechts een fractie van de dikte van een mensenhaar (ongeveer 70 micrometer). De radioactieve straling die door de monsters wordt uitgezonden, blijft daarom veel lager dan die van de natuurlijke achtergrond.

Om zo’n klein monster te verkrijgen en vorm te geven, gebruikte Helm een ​​zeer nauwkeurige ionenbundel met een diameter van slechts enkele nanometers als snijgereedschap. UTe₂ is een luchtgevoelig materiaal. Daarom voert Helm de monstervoorbereiding in vacuüm uit en sealt ze daarna in epoxylijm.

“Voor het definitieve bewijs dat ons materiaal een spin-triplet-supergeleider is, zouden we het spectroscopisch moeten onderzoeken terwijl het wordt blootgesteld aan sterke magnetische velden. De huidige spectroscopiemethoden hebben echter nog steeds moeite met magnetische velden boven de 40 Tesla. Samen met andere teams hebben we werken ook aan de ontwikkeling van nieuwe technieken. Uiteindelijk zullen we hiermee definitief bewijs kunnen leveren”, zegt Helm.

Meer informatie: Toni Helm et al., Veldgeïnduceerde compensatie van magnetische uitwisseling als mogelijke oorsprong van herintredende supergeleiding in UTe₂ , Natuurcommunicatie (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44183-1

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Helmholtz Vereniging van Duitse Onderzoekscentra