Среда, 21 февраля, 2024
ДомойФизикаUTe2 раскрывает новые секреты сверхпроводимости

UTe2 раскрывает новые секреты сверхпроводимости

- Advertisement -

Графическое изображение микроструктурированного образца (красный) для электрических измерений нетрадиционных сверхпроводников. Для контактирования используются золото и платина. Электроны (зеленые сферы) соединяются парами посредством вибрационных или магнитных флуктуаций. Фото: Б. Шредер/HZDR

UTe2, нетрадиционный сверхпроводник, изучаемый международными исследователями, демонстрирует уникальную сверхпроводимость в сильных магнитных полях, предлагая новый технологический потенциал.

При достаточно низких температурах некоторые металлы теряют свое электрическое сопротивление и проводят электричество без потерь. Этот эффект сверхпроводимости известен уже более ста лет и хорошо понятен для так называемых обычных сверхпроводников. Однако более поздними стали нетрадиционные сверхпроводники, для которых пока неясно, как они работают.

Команда из Гельмгольц-Центр Дрезден-Россендорф (HZDR) вместе с коллегами из французского исследовательского института CEA (Комиссариат по атомной энергии и альтернативным источникам энергии), из Университета Тохоку в Японии и Института химической физики твердого тела Макса Планка в Дрездене теперь получили новые идеи. . Исследователи сообщают о своих недавних открытиях в журнале. Природные коммуникации. Они могли бы объяснить, почему новый материал остается сверхпроводящим даже в чрезвычайно сильных магнитных полях – свойство, которого нет в обычных сверхпроводниках, и которое потенциально может обеспечить ранее немыслимые технологические применения.

Отслеживание нетрадиционной сверхпроводимости

«Дителлурид урана, или УТе2 Короче говоря, он является лидером среди сверхпроводящих материалов», — говорит доктор Тони Хельм из Дрезденской лаборатории сильных магнитных полей (HLD) в HZDR. «Как было обнаружено в 2019 году, это соединение проводит электричество без потерь, однако иначе, чем обычные сверхпроводники».

С тех пор этим материалом заинтересовались исследовательские группы по всему миру. В их число входит и команда Хелма, которая подошла на шаг ближе к пониманию материала.

«Чтобы полностью оценить шумиху вокруг этого материала, нам нужно повнимательнее присмотреться к сверхпроводимости», — объясняет физик. «Это явление возникает в результате движения электронов в материале. Всякий раз, когда они сталкиваются с атомами, они теряют энергию в виде тепла. Это проявляется в виде электрического сопротивления. Электроны могут избежать этого, организуясь в парные образования, так называемые куперовские пары».

Это когда два электрона объединяются при низких температурах, чтобы двигаться сквозь твердое тело без трения. Затем они используют атомные вибрации вокруг себя как своего рода волну, по которой они могут плавать, не теряя энергии. Эти атомные колебания объясняют традиционную сверхпроводимость.

«Однако уже несколько лет известны сверхпроводники, в которых куперовские пары образуются в результате эффектов, которые еще до конца не изучены», — говорит физик. Одной из возможных форм нетрадиционной сверхпроводимости является спин-триплетная сверхпроводимость. Считается, что он использует магнитные флуктуации.

«Есть также металлы, в которых электроны проводимости собираются вместе», — объясняет Хельм. «Вместе они могут экранировать магнетизм материала, ведя себя как одна частица с – для электронов – чрезвычайно большой массой».

Такие сверхпроводящие материалы известны как сверхпроводники с тяжелыми фермионами. ЮТе2следовательно, может быть как спин-триплетом, так и сверхпроводником с тяжелыми фермионами, как показывают текущие эксперименты. Вдобавок ко всему, он является чемпионом мира в тяжелом весе: на сегодняшний день неизвестен ни один другой сверхпроводник с тяжелыми фермионами, который все еще проявлял бы сверхпроводимость в аналогичных или более высоких магнитных полях. Это также было подтверждено настоящим исследованием.

Чрезвычайно устойчив к магнитным полям

Сверхпроводимость зависит от двух факторов: критической температуры перехода и критического магнитного поля. Если температура падает ниже критической температуры перехода, сопротивление падает до нуля и материал становится сверхпроводящим. Внешние магнитные поля также влияют на сверхпроводимость. Если они превышают критическое значение, эффект рушится.

«У физиков есть эмпирическое правило для этого», — сообщает Хельм: «Во многих обычных сверхпроводниках значение температуры перехода в кельвинах примерно в один-два раза превышает значение критической напряженности магнитного поля в тесла. В спин-триплетных сверхпроводниках это соотношение часто намного выше».

С учебой на тяжеловесе ЮТе2Исследователи теперь смогли поднять планку еще выше: при температуре перехода 1,6 кельвина (-271,55°C) критическая напряженность магнитного поля достигает 73 тесла, устанавливая соотношение на уровне 45 – рекорд.

«До сих пор сверхпроводники с тяжелыми фермионами не представляли особого интереса для технических приложений», — объясняет физик. «У них очень низкая температура перехода, и усилия, необходимые для их охлаждения, сравнительно высоки».

Тем не менее, их нечувствительность к внешним магнитным полям могла бы компенсировать этот недостаток. Это связано с тем, что транспортировка тока без потерь сегодня в основном используется в сверхпроводящих магнитах, например, в сканерах магнитно-резонансной томографии (МРТ). Однако магнитные поля влияют и на сам сверхпроводник. Материал, который мог бы выдерживать очень сильные магнитные поля и при этом проводить электричество без потерь, стал бы большим шагом вперед.

Специальная обработка требовательного материала

«Конечно, ЮТе2 нельзя использовать для изготовления выводов сверхпроводящего электромагнита», — говорит Хельм. «Во-первых, свойства материала делают его непригодным для этой работы, а во-вторых, он радиоактивен. Но он идеально подходит для исследования физики спин-триплетной сверхпроводимости».

На основе своих экспериментов исследователи разработали модель, которая могла бы служить объяснением сверхпроводимости с чрезвычайно высокой устойчивостью к магнитным полям. Для этого они работали с образцами толщиной в несколько микрометров — всего лишь часть толщины человеческого волоса (около 70 микрометров). Таким образом, радиоактивное излучение, испускаемое образцами, остается намного ниже, чем естественный фон.

Чтобы получить и придать форму такому крошечному образцу, Хельм использовал в качестве режущего инструмента высокоточный ионный луч диаметром всего несколько нанометров. ЮТе2 материал, чувствительный к воздуху. Следовательно, Хелм осуществляет подготовку образцов в вакууме, а затем запечатывает их эпоксидным клеем.

«Для окончательного доказательства того, что наш материал является спин-триплетным сверхпроводником, нам придется исследовать его спектроскопически, пока он подвергается воздействию сильных магнитных полей. Однако современные методы спектроскопии по-прежнему не справляются с магнитными полями выше 40 тесла. Вместе с другими командами мы также работаем над разработкой новых методов. В конечном итоге это позволит нам предоставить окончательные доказательства», — уверенно говорит Хелм.

Ссылка: «Индуцированная полем компенсация магнитного обмена как возможная причина возвратной сверхпроводимости в UTe2» Тони Хельм, Мотои Кимата, Кента Судо, Ацухико Мията, Юлия Стирнат, Тобиас Фёрстер, Якоб Хорнунг, Маркус Кениг, Илья Шейкин, Александр Пурре , Жерар Лаперто, Дай Аоки, Георг Кнебель, Иоахим Возница и Жан-Паскаль Бризон, 2 января 2024 г., Природные коммуникации.
DOI: 10.1038/s41467-023-44183-1

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме