Forskare på jakt efter en okonventionell typ av supraledare har tagit fram det mest övertygande beviset att de hittat en hittills. I ett par papper, forskare vid University of Marylands (UMD) Quantum Materials Center (QMC) och kollegor har visat att uran ditellurid (eller UTe ₂ för kort) visar många av kännetecknen för en topologisk superledare - ett material som kan låsa upp nya sätt att bygga kvantdatorer och andra futuristiska enheter.

"Naturen kan vara ond, "säger Johnpierre Paglione, professor i fysik vid UMD, chef för QMC och seniorförfattare på en av tidningarna. "Det kan finnas andra anledningar till att vi ser allt det här galna, men ärligt talat, i min karriär, Jag har aldrig sett något liknande. "

Alla superledare bär elektriska strömmar utan motstånd. Det är typ deras grej. Kablarna bakom dina väggar kan inte konkurrera med denna prestation, vilket är en av många anledningar till att stora spolar av supraledande trådar och inte vanliga koppartrådar har använts i MR -maskiner och annan vetenskaplig utrustning i decennier.

Men superledare uppnår sin supraledning på olika sätt. Sedan början av 2000 -talet har forskare har letat efter en speciell typ av superledare, en som förlitar sig på en invecklad koreografi av de subatomära partiklarna som faktiskt bär dess ström.

Denna koreografi har en överraskande regissör:en gren av matematik som kallas topologi. Topologi är ett sätt att gruppera samman former som försiktigt kan förvandlas till varandra genom att trycka och dra. Till exempel, en degboll kan formas till ett bröd eller en pizzapaj, men du kan inte göra det till en munk utan att peta ett hål i den. Resultatet är att topologiskt sett, en bröd och en paj är identiska, medan en munk är annorlunda. I en topologisk superledare, elektroner utför en dans runt varandra medan de cirkulerar något som liknar hålet i mitten av en munk.

Tyvärr, det finns inget bra sätt att skära upp en superledare och zooma in på dessa elektroniska dansrörelser. Just nu, det bästa sättet att avgöra om elektroner boogar på en abstrakt munk är att observera hur ett material beter sig i experiment. Tills nu, ingen superledare har visat sig vara topologisk, men de nya tidningarna visar att UTe ₂ utseende, simmar och kvacksalvor som rätt typ av topologisk anka.

En studie, av Pagliones team i samarbete med gruppen Aharon Kapitulnik vid Stanford University, avslöjar att inte en utan två typer av supraledning existerar samtidigt i UTe ₂ . Med hjälp av detta resultat, liksom hur ljuset förändras när det studsar av materialet (förutom tidigare publicerade experimentella bevis), de kunde begränsa de typer av supraledning som finns till två alternativ, båda teoretikerna tror är topologiska. De publicerade sina resultat den 15 juli, 2021, i tidningen Vetenskap .

I en annan studie, ett team som leds av Steven Anlage, professor i fysik vid UMD och medlem i QMC, avslöjade ovanligt beteende på ytan av samma material. Deras resultat överensstämmer med det efterlängtade fenomenet topologiskt skyddade Majorana-lägen. Majorana -lägen, exotiska partiklar som beter sig ungefär som hälften av en elektron, förutspås uppstå på ytan av topologiska superledare. Dessa partiklar upphetsar särskilt forskare eftersom de kan vara en grund för robusta kvantdatorer. Anlage och hans team rapporterade sina resultat i en artikel publicerad 21 maj, 2021 i tidningen Naturkommunikation .

Superledare avslöjar bara sina speciella egenskaper under en viss temperatur, ungefär som vatten fryser bara under noll Celsius. I vanliga superledare, elektroner kopplas ihop till en tvåpersons conga-linje, följa varandra genom metallen. Men i vissa sällsynta fall elektronparen utför en cirkeldans runt varandra, mer besläktad med en vals. Det topologiska fallet är ännu mer speciellt - elektronernas cirkeldans innehåller en virvel, som ögat mitt i en orkans virvlande vindar. När elektronerna kopplas ihop på detta sätt, virveln är svår att bli av med, vilket är det som skiljer en topologisk superledare från en med en enkel, elektroniskt dans i fint väder.

Tillbaka 2018, Pagliones team, i samarbete med teamet av Nicholas Butch, adjungerad docent i fysik vid UMD och fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST), upptäckte oväntat att UTe ₂ var en superledare. Direkt, det var klart att det inte var din genomsnittliga superledare. Framför allt, det verkade ofokuserat av stora magnetfält, som normalt förstör supraledning genom att dela upp elektrondanspar. Detta var den första ledtråd som elektronpar i UTe ₂ håll varandra tätare än vanligt, troligtvis för att deras parade dans är cirkulär. Detta fick mycket intresse och ytterligare forskning från andra inom området.

"Det är ungefär som en perfekt storm superledare, "säger Anlage." Det kombinerar många olika saker som ingen någonsin sett tillsammans tidigare. "

I det nya Vetenskap papper, Paglione och hans medarbetare rapporterade två nya mätningar som avslöjar UTes interna struktur ₂ . UMD -teamet mätte materialets specifika värme, som kännetecknar hur mycket energi det tar att värma upp den med en grad. De mätte den specifika värmen vid olika starttemperaturer och såg hur den förändrades när provet blev supraledande.

"Normalt är det ett stort hopp i specifik värme vid den superledande övergången, "säger Paglione." Men vi ser att det faktiskt finns två hopp. Så det är bevis på faktiskt två supraledande övergångar, inte bara en. Och det är högst ovanligt. "

De två hoppen föreslog att elektroner i UTe ₂ kan para ihop för att utföra något av två distinkta dansmönster.

I en andra mätning, Stanford -teamet lyste laserljus på en bit UTe ₂ och märkte att ljuset som reflekterade tillbaka var lite vriden. Om de skickade in ljus som bobbade upp och ner, det reflekterade ljuset skakade mest upp och ner men också lite åt vänster och höger. Detta innebar att något inuti superledaren vrider upp ljuset och inte vrider det på väg ut.

Kapitulniks team på Stanford fann också att ett magnetfält kan tvinga UTe ₂ i vridande ljus på ett eller annat sätt. Om de applicerade ett magnetfält som pekade uppåt när provet blev supraledande, ljuset som kommer ut skulle lutas åt vänster. Om de riktade magnetfältet nedåt, ljuset lutade åt höger. Detta berättade att forskare att, för elektronerna som dansar inuti provet, det var något speciellt med kristallens riktningar upp och ner.

För att reda ut vad allt detta innebar för elektronerna som dansade i superledaren, forskarna tog hjälp av Daniel F. Agterberg, teoretiker och professor i fysik vid University of Wisconsin-Milwaukee och medförfattare till Vetenskap papper. Enligt teorin, hur uran och telluratomer är arrangerade inuti UTe ₂ crystal tillåter elektronpar att samarbeta i åtta olika danskonfigurationer. Eftersom den specifika värmemätningen visar att två danser pågår samtidigt, Agterberg räknade upp alla de olika sätten att para ihop dessa åtta danser. Den förvrängda naturen hos det reflekterade ljuset och tvingande kraft i ett magnetfält längs upp-ned-axeln skär ner möjligheterna till fyra. Tidigare resultat som visar UTe:s robusthet ₂ supraledning under stora magnetfält begränsade den ytterligare till endast två av dessa danspar, båda bildar en virvel och indikerar en stormig, topologisk dans.

"Det som är intressant är att med tanke på begränsningarna av vad vi har sett experimentellt, vår bästa teori pekar på en visshet om att det supraledande tillståndet är topologiskt, säger Paglione.

Om supraledningens natur i ett material är topologisk, motståndet kommer fortfarande att gå till noll i huvuddelen av materialet, men på ytan kommer något unikt att hända:Partiklar, känd som Majorana -lägen, kommer att dyka upp och bilda en vätska som inte är en superledare. Dessa partiklar förblir också på ytan trots defekter i materialet eller små störningar från omgivningen. Forskare har föreslagit att tack vare de unika egenskaperna hos dessa partiklar, de kan vara en bra grund för kvantdatorer. Kodning av en kvantinformation till flera Majoranas som ligger långt ifrån varandra gör informationen nästan immun mot lokala störningar som, än så länge, har varit banan för kvantdatorer.

Anlages team ville undersöka ytan av UTe ₂ mer direkt för att se om de kunde upptäcka signaturer av detta Majorana -hav. Att göra det, de skickade mikrovågor mot en bit UTe ₂ , och mätte mikrovågorna som kom ut på andra sidan. De jämförde utmatningen med och utan provet, vilket gjorde det möjligt för dem att testa egenskaperna hos massan och ytan samtidigt.

Ytan lämnar ett avtryck på mikrovågornas hållfasthet, vilket leder till en utgång som bobbar upp och ner i synkronisering med ingången, men något dämpad. Men eftersom huvuddelen är en superledare, det ger inget motstånd mot mikrovågorna och ändrar inte deras styrka. Istället, det saktar ner dem, orsakar förseningar som gör att utgången bob upp och ner synkroniseras med ingången. Genom att titta på de synkroniserade delarna av svaret, forskarna bestämde hur många av elektronerna inuti materialet som deltar i paradansen vid olika temperaturer. De fann att beteendet stämde överens med de cirkeldanser som föreslogs av Pagliones team.

Kanske ännu viktigare, den synkroniserade delen av mikrovågssvaret visade att ytan av UTe ₂ är inte superledande. Detta är ovanligt, eftersom supraledning vanligtvis är smittsam:Att sätta en vanlig metall nära en superledare sprider supraledning till metallen. Men ytan på UTe ₂ verkade inte fånga supraledning från massan - precis som förväntat för en topologisk superledare - och svarade istället på mikrovågorna på ett sätt som inte har setts tidigare.

"Ytan beter sig annorlunda än någon superledare vi någonsin har tittat på, "Säger Anlage." Och då är frågan "Vad är tolkningen av det avvikande resultatet?" Och en av tolkningarna, som skulle överensstämma med alla andra uppgifter, är att vi har detta topologiskt skyddade yttillstånd som är ungefär som ett omslag runt superledaren som du inte kan bli av med. "

Det kan vara frestande att dra slutsatsen att ytan på UTe ₂ är täckt med ett hav av Majorana -lägen och förklarar seger. Dock, extraordinära påståenden kräver extraordinära bevis. Anlage och hans grupp har försökt komma med alla möjliga alternativa förklaringar till vad de observerade och systematiskt uteslutit dem, från oxidation på ytan till ljus som träffar provets kanter. Fortfarande, det är möjligt att en överraskande alternativ förklaring ännu inte har upptäckts.

"I bakhuvudet tänker du alltid" Åh, kanske var det kosmiska strålar, eller 'Kanske var det något annat, "säger Anlage." Du kan aldrig 100% eliminera alla andra möjligheter. "

För Pagliones del, han säger att rökpistolen kommer att vara inget annat än att använda ytan Majorana -lägen för att utföra en kvantberäkning. Dock, även om ytan på UTe ₂ har verkligen ett gäng Majorana -lägen, det finns för närvarande inget enkelt sätt att isolera och manipulera dem. Att göra det kan vara mer praktiskt med en tunn film UTe ₂ istället för de (lättare att producera) kristaller som användes i dessa senaste experiment.

"Vi har några förslag för att försöka göra tunna filmer, "Paglione säger." Eftersom det är uran och det är radioaktivt, det kräver lite ny utrustning. Nästa uppgift skulle vara att faktiskt försöka se om vi kan odla filmer. Och då skulle nästa uppgift vara att försöka göra enheter. Så det skulle kräva flera år, men det är inte galet. "

Vare sig UTe ₂ visar sig vara den efterlängtade topologiska superledaren eller bara en duva som lärde sig simma och kvaka som en anka, både Paglione och Anlage är glada över att fortsätta ta reda på vad materialet har att erbjuda.

"Det är dock ganska klart att det finns mycket cool fysik i materialet, "Anlage säger." Oavsett om det är Majoranas på ytan eller inte är verkligen en följdfråga, men det är att utforska ny fysik som är det mest spännande. "