Med pulser av ljud genom små högtalare har Cornells fysikforskare klargjort den grundläggande karaktären hos en ny supraledare.
Sedan det visade sig vara en supraledare för ungefär fem år sedan har uranditellurid skapat mycket surr i kvantmaterialsamhället - och en hel del förvirring, med mer än ett dussin teorier om den sanna naturen hos dess supraledande egenskaper. Några föreslog värdefulla möjligheter för kvantberäkning.
I ett experiment har Brad Ramshaw, docent i fysik vid College of Arts and Sciences (A&S) och kollegor använt ultraljud för att samla in direkta bevis för att uranditellurid har en enkomponent supraledande ordningsparameter, vilket utesluter en mer exotisk typ av supraledare det skulle ha varit spännande nyheter för kvantberäkningar. Men att sätta en baslinje för data för materialets inneboende supraledning lämnar fortfarande dörren öppen för att upptäcka ytterligare komplexa möjligheter genom ytterligare studier.
Experimentet slår fast att den senaste tekniska utvecklingen i Ramshaw-labbet gör puls-eko-ultraljud, som använder ljudpulser för att undersöka den mekaniska styvheten hos kvantmaterial, en pålitlig och önskvärd teknik för att undersöka supraledande material.
Forskningsrapporten, med titeln "Single-component Superconductivity in UTe2 at Ambient Pressure", publiceras i Nature Physics . Ramshaw är motsvarande författare med doktoranden Florian Theuss som första författare. Doktoranden Avi Shragai och tidigare postdoktorn Gael Grissonnanche, numera fakultet vid Institut Polytechnique i Paris, bidrog tillsammans med medarbetare från University of Maryland och University of Wisconsin, Milwaukee.
"Alla supraledare har noll motstånd, men på en mer subtil nivå finns det olika smaker av supraledare," sa Ramshaw. "Forskare är intresserade av att hitta dessa olika smaker eftersom, en, vi vet inte ens om de finns, även om vi i teorin vet att de kan existera. Och två, de kan användas i tekniker som kvantberäkning. Du behöver nya typer av supraledare för ny teknik."
En märklig kombination av egenskaper i uranditellurid antydde först att det kunde vara den här nya typen av supraledare. Dess kritiska temperatur - hur kallt det måste bli innan det övergår till ett supraledande tillstånd - är relativt låg, cirka 2 Kelvin. Men dess låga kritiska temperatur är parat med ett mycket högt kritiskt fält – måttet på hur mycket magnetfält det kan motstå innan det supraledande tillståndet kollapsar.
"Vi skulle normalt förvänta oss att den tål en eller två tesla, men den tål runt 60," sa Ramshaw. "Det är nästan 100 gånger starkare än något magnetfält du skulle stöta på i vardagen. Det säger oss att det finns något konstigt, att det kanske är en av de där nya smakerna av supraledning."
Ramshaw och hans medarbetare ville ta reda på om materialet har – som vissa teorier och existerande experiment hade förutspått – en supraledande ordningsparameter med flera komponenter, som medför exotiska effekter; eller en komponent ordningsparameter, fortfarande potentiellt exotisk men mycket mer begränsad.
Theuss ledde ett experiment med pulseko-ultraljud på ett 1-millimeter gånger 1-millimeter prov för att avslöja samspelet mellan strukturen och supraledningsförmågan i uranditellurid. Tekniken mäter hastigheten på en ljudpuls som rör sig genom ett material, samma princip som medicinsk ultraljudsavbildning. Skillnaden är att istället för att producera bilder, mätte forskarna ljudhastigheten för att upptäcka förändringen i styvhet hos materialet när det kyldes ner till och förbi den kritiska temperaturen.
"Vi kan mäta avståndet mellan ljudekon med fenomenal precision. Det är den verkliga kraften i experimentet," sa Ramshaw.
Små högtalare (givare) fästa vid provet pumpade en ljudpuls direkt in i materialet i tre olika riktningar och mätte både tre kompressionsvågor och tre skjuvvågor – vibrationerna från sida till sida som bara finns i fasta ämnen.
Vid den kritiska temperaturen visade kompressionsvågor ett plötsligt fall där ljudets hastighet rasade, som förväntat för alla supraledare. Skjuvvågor visade dock inget sådant fall.
"Om det var en av de exotiska typerna av supraledning som folk föreslog, skulle dessa skjuvvågor också ha minskat," sa Ramshaw.
Forskarna ger direkta bevis för att detta material har en enkomponent ordningsparameter. Denna slutsats dämpar dock inte spänningen kring supraledning i uranditellurid, som har många intressanta aspekter som är värda att studera vidare, inklusive dess utomordentligt starka avstötning mot magnetism.
Att applicera tryck eller magnetiska fält under den kritiska temperaturen kan förändra typen av supraledning, kanske till och med skapa den svårfångade tvåkomponentsspintrippel-superledningsförmågan, sa Ramshaw. Den aktuella studien ger en databaserad plats att börja.
"Definitivt finns det mer att komma i det här materialet. Vi har bara börjat", säger Theuss, som har arbetat med uranditellurid under stora delar av sin doktorsexamen. kandidatur. "Men om du vill förklara dessa komplicerade saker måste du börja med de grundläggande inneboende fakta om supraledning i UTe2 ."
Mer information: Florian Theuss et al, Enkelkomponentsupraledning i UTe2 vid omgivningstryck, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02493-1
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Cornell University
