Rappresentazione artistica di un neutrone in collisione con un campione di dicloruro di uranio superconduttore in esperimenti all’Oak Ridge National Laboratory. Si sospetta che i cristalli di uranio (grigio scuro) e tellurio (marrone) ospitino la superconduttività a triplo spin, uno stato caratterizzato da coppie di elettroni con spin orientati nella stessa direzione (blu). Negli esperimenti di diffusione di neutroni, i neutroni in arrivo interrompono le coppie capovolgendo un avvolgimento nella direzione opposta (rosso), rivelando una chiara evidenza dello stato quantomeccanico della coppia. Attestazione: Jill Heyman/ORNL

Il risultato sconcertante sta costringendo i fisici a ripensare alla superconduttività a “triplo spin”.

Uno studio condotto dalla Rice University ha costretto i fisici a ripensare alla superconduttività nel ditelluride di uranio, un materiale di alto livello nella corsa globale alla creazione di computer quantistici tolleranti ai guasti.

Si ritiene che i cristalli di decloruro di uranio contengano una sostanza rara.triplo giroUna forma di superconduttività, ma gli allettanti risultati sperimentali pubblicati questa settimana in temperamento natura Invertire la spiegazione principale di come appare lo stato della materia nella materia. Esperimenti di diffusione di neutroni da fisici della Rice, dell’Oak Ridge National Laboratory, dell’Università della California, San Diego e del National High Magnetic Field Laboratory di Università statale della Florida hanno rivelato segni rivelatori di fluttuazioni di spin antimagnetiche associate alla superconduttività nel dicloruro di uranio.

La superconduttività a triplo spin non è stata osservata in un solido, ma i fisici hanno a lungo sospettato che derivi da uno stato ordinato ferromagnetico. La corsa per trovare materiali di spin 3D si è intensificata negli ultimi anni a causa della loro capacità di ospitare quasiparticelle sfuggenti chiamate Majorana Vermione che può essere usato per fare Computer quantistici senza errori.

“Le persone hanno speso miliardi di dollari per trovarlo”, ha detto Pengcheng Dai, coautore dello studio di Rice sul vermione Majorana. Quasiparticelle virtuali che può essere usato per fare Bit topologici quantistici Libero dal problema del disimpegno che mi affliggeva Qubit nei computer quantistici oggi.

“La promessa è che se si dispone di un superconduttore a triplo spin, potrebbe essere potenzialmente utilizzato per creare qubit topologici”, ha affermato Day, professore di fisica e astronomia e membro della Rice Quantum Initiative. “Non puoi farlo con i superconduttori spin-spin. Quindi, ecco perché le persone sono così interessate a questo.”

I fisici della Rice University (da sinistra) Pengcheng Dai, Chunruo Duan e Qimiao Si sono co-autori di uno studio che ha rivelato scoperte allettanti sul ditelluride di uranio, un materiale a lungo sospettato di avere una rara forma di superconduttività a “triplo spin”. Credito: foto di Jeff Fitlow/Rice University

La superconduttività si verifica quando gli elettroni formano coppie e si muovono come uno, come le coppie che girano su una pista da ballo. È normale che gli elettroni si odino a vicenda, ma la loro tendenza a evitare altri elettroni può essere superata dal loro desiderio intrinseco di bassa energia. Se l’accoppiamento consente agli elettroni di raggiungere uno stato più pigro di quello che possono ottenere da soli, il che è possibile solo a temperature estremamente fredde, possono essere persuasi in coppie.

La persuasione si presenta sotto forma di fluttuazioni nel loro ambiente fisico. Nei normali superconduttori, come il piombo, le oscillazioni sono vibrazioni nel reticolo atomico degli atomi di piombo all’interno del filo superconduttore. I fisici devono ancora determinare le fluttuazioni che causano la superconduttività non convenzionale in materiali come il decloruro di uranio. Ma decenni di studi hanno trovato sfasamenti – momenti di ritardo in cui gli elettroni si riorganizzano spontaneamente – nei punti critici in cui inizia l’accoppiamento.

Nelle equazioni della meccanica quantistica, queste disposizioni ordinate spontanee sono rappresentate in termini noti come parametri d’ordine. Il nome tripla rotazione si riferisce al crollo spontaneo di tre simmetrie in queste disposizioni ordinate. Per esempio, elettroni di spin Costantemente, come una piccola barra magnetica. Uno dei parametri del sistema riguarda l’asse di rotazione (si pensi al Polo Nord), che punta in alto o in basso. La disposizione ferromagnetica è quando tutte le rotazioni puntano nella stessa direzione e la disposizione antiferromagnetica è quando si alternano in ordine dall’alto verso il basso e dall’alto verso il basso. Nel basta confermare triplo giro, elio super liquido 3, il parametro della richiesta ha non meno di 18 componenti.

“Tutta l’altra superconduttività è una spin-shirt”, ha detto Day, che è anche membro del Rice Center for Quantum Materials (RCQM). “In una spin-shirt, ne hai uno su e uno giù, e se inserisci un campo magnetico, può facilmente distruggere la superconduttività”.

Questo perché il campo magnetico costringe gli avvolgimenti ad allinearsi nella stessa direzione. Più forte è il campo, maggiore è la spinta.

“Il problema del decloruro di uranio è Il campo da distruggere “La superconduttività è di 40 Tesla”, ha detto Day. “È enorme. Per 40 anni, la gente ha pensato che l’unica possibilità che ciò accadesse fosse che quando si metteva un campo, gli spin girassero davvero in una direzione, il che significava che era un ferromagnete”.

Allo studio, il ricercatore post-dottorato Dai e Rice, Chunruo Duan, l’autore principale dello studio, ha lavorato con il coautore dello stato della Florida Ryan Baumbach, il cui laboratorio ha coltivato campioni di cristalli singoli di ditelluride di uranio utilizzato nell’esperimento, e il coautore della UCSD Brian Maple , il cui laboratorio ha testato e preparato campioni per esperimenti di diffusione di neutroni presso la sorgente di spallazione di neutroni di Oak Ridge.

“Quello che fa il neutrone è che arriva con una certa energia e slancio, e può capovolgere la coppia Cooper da uno stato dall’alto verso il basso”, ha detto Day. “Ti dice come si formano le coppie. Attraverso la risonanza di spin di questo neutrone, si può essenzialmente determinare l’energia di accoppiamento degli elettroni” e altre proprietà rivelatrici della funzione d’onda della meccanica quantistica che descrive la coppia, ha detto.

Ci sono due possibili spiegazioni per il risultato, ha detto Day: o il decloruro di uranio non è un superconduttore a triplo spin, o una superconduttività a triplo spin deriva da fluttuazioni di spin antiferromagnetiche in un modo che i fisici non avevano precedentemente immaginato. Dai ha detto decenni di evidenza empirica Si riferisce a quest’ultimo, ma questo sembra violare la saggezza convenzionale sulla superconduttività. Quindi Dai ha collaborato con il suo collega Rice Qimiao Si, un fisico teorico specializzato in fenomeni quantistici emergenti come la superconduttività non convenzionale.

C, un coautore dello studio, ha trascorso gran parte degli ultimi cinque anni a presentare la teoria dell’accoppiamento multibiologico che ha co-sviluppato con un precedente dottorato di ricerca. Studente Emiliano Nika Spiega risultati sperimentali contraddittori in diversi tipi di superconduttori non convenzionali, inclusi i fermioni pesanti, una classe che include il dicloruro di uranio.

Nell’accoppiamento multi-orbitale, gli elettroni in alcuni gusci atomici hanno maggiori probabilità di formare coppie rispetto ad altri. Si pensa afferma che l’uranio ha la capacità di fornire doppi elettroni da uno qualsiasi dei sette orbitali con 14 possibili stati.

“I multiorbitali sono stati la prima cosa che mi è venuta in mente”, ha detto. “Non sarebbe possibile se avessi solo una banda o un’orbita, ma gli orbitali portano una nuova dimensione a possibili coppie superconduttrici non convenzionali. È come una tavolozza di colori. I colori sono numeri quantici intrinseci e ed elettroni Nei materiali a base di uranio, il fermione pesante è naturalmente preparato per ottenere questi colori. Porta a nuove possibilità oltre la “tavola periodica degli stati di coniugazione”. Una di queste nuove possibilità si rivela essere il triplo accoppiamento graduale”.

Si e Nika, ora all’Arizona State University, mostrano che gli accoppiamenti antiferromagnetici possono portare a stati di accoppiamento plausibili, a bassa energia, a triplo spin.

“Gli accoppiamenti spin-tripletto sono altamente improbabili nella stragrande maggioranza dei casi perché le coppie saranno monomandrino per ridurre la loro energia”, ha detto Sy. “Nel decloruro di uranio, l’accoppiamento spin-orbita può alterare il panorama energetico in modo tale che gli stati di triplo spin-coupling siano più competitivi con le loro controparti di tipo spin-joint”.

Riferimento: “Risonanza delle fluttuazioni di spin antiferromagnetiche nella superconduttività in UTe₂Di Chunruo Duan, RE Baumbach, Andrey Podlesnyak, Yuhang Deng, Camilla Moir, Alexander J. Breindel, M. Brian Maple, E.M. Nica, Qimiao Si, Pengcheng Dai, 22 dicembre 2021, temperamento natura.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04151-5

Sy è Harry C. e Olga K. Wiess Professor presso il Rice Department of Physics and Astronomy e Direttore di RCQM. Altri coautori includono Andrei Podelsniak di Oak Ridge e Yohang Deng e Camilla Muir e Alexander Brendel dell’Università della California, San Diego.

La ricerca è stata supportata dall’Ufficio per le scienze energetiche di base del Dipartimento dell’energia (DE-SC0012311, DE-SC0016568, DE-SC0018197, DEFG02-04-ER46105), il Robert A. 1411), la National Science Foundation (1644779, 1810310, 1607611), la Florida State, l’Arizona State University e l’Office of the Science User Facility del Department of Energy presso l’Oak Ridge National Laboratory è una fonte di frammentazione dei neutroni.