Forskare från University of Maryland, National Institute of Standards and Technology (NIST), National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) och University of Oxford har observerat ett sällsynt fenomen som kallas re-entrant superconductivity in the material uranium ditelluride. Upptäckten främjar fallet för uran ditellurid som ett lovande material för användning i kvantdatorer.

Smeknamnet "Lazarus supraledning" efter den bibliska karaktären som uppstod från de döda, fenomenet uppstår när ett supraledande tillstånd uppstår, bryts ner, återkommer sedan i ett material på grund av en ändring av en specifik parameter-i det här fallet, tillämpningen av ett mycket starkt magnetfält. Forskarna publicerade sina resultat den 7 oktober, 2019, i tidningen Naturfysik .

En gång avskedad av fysiker för sin uppenbara brist på intressanta fysiska egenskaper, uran ditellurid har sitt eget Lazarus -ögonblick. Den aktuella studien är den andra på lika många månader (båda publicerade av medlemmar i samma forskargrupp) för att visa ovanliga och överraskande supraledningstillstånd i materialet.

"Detta är en nyligen upptäckt superledare med en mängd andra okonventionella beteenden, så det är redan konstigt, "sade Nicholas Butch, adjungerad biträdande professor i fysik vid UMD och fysiker vid NIST Center for Neutron Research. "[Lasarus supraledning] har nästan säkert något att göra med materialets nyhet. Det händer något annat där."

Den tidigare forskningen, publicerad den 16 augusti, 2019 i tidskriften Science, beskrev det sällsynta och exotiska grundtillståndet som kallas spin-triplet supraledning i uran ditellurid. Upptäckten markerade den första ledtråden att uran ditellurid är värt en andra titt, på grund av dess ovanliga fysiska egenskaper och dess höga potential för användning i kvantdatorer.

"Detta är verkligen ett anmärkningsvärt material och det håller oss mycket upptagna, "sade Johnpierre Paglione, professor i fysik vid UMD, direktören för UMD:s Center for Nanophysics and Advanced Materials (CNAM; snart bytt namn till Quantum Materials Center) och medförfattare till uppsatsen. "Uran ditellurid kan mycket väl bli den" lärobok "-spinn-triplett-superledare som människor har letat efter i dussintals år och det kommer sannolikt att ha fler överraskningar i beredskap. Det kan vara nästa strontium-rutenat-en annan föreslagen spinn-triplett-superledare som har varit studerat i mer än 25 år. "

Superledning är ett tillstånd där elektroner färdas genom ett material med perfekt effektivitet. Däremot, koppar-som är näst efter silver när det gäller dess förmåga att leda elektroner-tappar ungefär 20% effekt över långväga överföringsledningar, när elektronerna stöter runt i materialet under resan.

Lazarus supraledning är särskilt märklig, eftersom starka magnetfält vanligtvis förstör det supraledande tillståndet i de allra flesta material. I uran ditellurid, dock, ett starkt magnetfält i kombination med specifika experimentella förhållanden fick Lazarus supraledning att uppstå inte bara en gång, men två gånger.

För Butch, Paglione och deras team, upptäckten av denna sällsynta form av supraledning i uran ditellurid var serendipitös; studiens huvudförfattare, CNAM Research Associate Sheng Ran, syntetiserade kristallen av misstag under försök att producera en annan uranbaserad förening. Teamet bestämde sig för att prova några experiment ändå, även om tidigare forskning om föreningen inte hade gett något ovanligt.

Lagets nyfikenhet belönades snart många gånger. I den tidigare vetenskapliga artikeln forskarna rapporterade att uran ditellurids supraledning involverade ovanliga elektronkonfigurationer som kallas spinntripleter, där par av elektroner är inriktade i samma riktning. I de allra flesta superledare, orienteringarna - kallade snurr - av parade elektroner pekar i motsatta riktningar. Dessa par kallas (något kontraintuitivt) singlets. Magnetfält kan lättare störa singlets, dödar supraledning.

Snurr triplett supraledare, dock, tål mycket högre magnetfält. Teamets tidiga fynd ledde dem till NHMFL, där en unik kombination av mycket högfältsmagneter, kapabel instrumentering och inhemsk expertis gjorde det möjligt för forskarna att driva uran ditellurid ännu längre.

På labbet, laget testade uran ditellurid i några av de högsta tillgängliga magnetiska fälten. Genom att exponera materialet för magnetfält upp till 65 teslas - mer än 30 gånger styrkan hos en typisk MRI -magnet - försökte teamet hitta den övre gräns vid vilken magnetfälten krossade materialets supraledning. Butch och hans team experimenterade också med att orientera uran -ditelluridkristallen i flera olika vinklar i förhållande till magnetfältets riktning.

Vid cirka 16 teslas, materialets supraledande tillstånd förändrades plötsligt. Medan den dog i de flesta experimenten, den kvarstod när kristallen var inriktad i en mycket specifik vinkel i förhållande till magnetfältet. Detta ovanliga beteende fortsatte tills cirka 35 teslas, vid vilken tidpunkt försvann all supraledning och elektronerna flyttade sin inriktning, går in i en ny magnetisk fas.

När forskarna ökade magnetfältet medan de fortsatte att experimentera med vinklar, de fann att en annan orientering av kristallen gav ännu en supraledande fas som kvarstod till minst 65 teslas, den maximala fältstyrkan laget testade. Det var en rekordstor prestanda för en superledare och markerade första gången två fältinducerade supraledande faser har hittats i samma förening.

Istället för att döda supraledning i uran ditellurid, höga magnetfält tycktes stabilisera det. Även om det ännu inte är klart exakt vad som händer på atomnivå, Butch sa att bevisen pekar på ett fenomen som är fundamentalt annorlunda än vad forskare hittills har sett.

"Jag ska gå ut och säga att dessa förmodligen är olika - kvantmekaniskt olika - från andra superledare som vi känner till, "Butch sa." Det är tillräckligt annorlunda, Jag tror, att förvänta mig att det kommer att ta ett tag att ta reda på vad som händer. "

Utöver dess konventionstrotande fysik, uran ditellurid visar alla tecken på att vara en topologisk superledare, liksom andra snurr-triplett supraledare, Butch tillagd. Dess topologiska egenskaper tyder på att det kan vara en särskilt noggrann och robust komponent i framtidens kvantdatorer.

"Upptäckten av denna Lazarus supraledning vid rekordhöga fält är en av de viktigaste upptäckterna från detta laboratorium i sin 25-åriga historia, "sa NHMFL -direktören Greg Boebinger." Jag skulle inte bli förvånad om att avslöja mysterierna med uran ditellurid leder till ännu främmande manifestationer av supraledning i framtiden. "