Ricercatori dell'Università del Maryland, l'Istituto nazionale di standard e tecnologia (NIST), il National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) e l'Università di Oxford hanno osservato un raro fenomeno chiamato superconduttività da rientro nel materiale ditelluride di uranio. La scoperta promuove la tesi del ditelluride di uranio come materiale promettente da utilizzare nei computer quantistici.

Soprannominato "Lazzaro superconduttività" dopo il personaggio biblico che è risorto dai morti, il fenomeno si verifica quando si verifica uno stato superconduttore, si rompe, poi riemerge in un materiale a causa di un cambiamento in un parametro specifico, in questo caso, l'applicazione di un campo magnetico molto forte. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati il ​​7 ottobre, 2019, nel diario Fisica della natura .

Una volta respinta dai fisici per la sua apparente mancanza di interessanti proprietà fisiche, il ditelluride di uranio sta avendo il suo momento di Lazzaro. L'attuale studio è il secondo in altrettanti mesi (entrambi pubblicati da membri dello stesso gruppo di ricerca) a dimostrare stati di superconduttività insoliti e sorprendenti nel materiale.

"Questo è un superconduttore scoperto di recente con una miriade di altri comportamenti non convenzionali, quindi è già strano, " ha detto Nicholas Butch, un assistente professore aggiunto di fisica all'UMD e un fisico al NIST Center for Neutron Research. "[La superconduttività di Lazarus] ha quasi certamente qualcosa a che fare con la novità del materiale. C'è qualcosa di diverso che sta accadendo lì dentro."

La ricerca precedente, pubblicato il 16 agosto 2019 sulla rivista Science, descrisse il raro ed esotico stato fondamentale noto come superconduttività di tripletto di spin nel ditelluride di uranio. La scoperta ha segnato il primo indizio che il ditelluride di uranio merita una seconda occhiata, grazie alle sue insolite proprietà fisiche e al suo alto potenziale di utilizzo nei computer quantistici.

"Questo è davvero un materiale straordinario e ci tiene molto occupati, " disse Johnpierre Paglione, un professore di fisica all'UMD, il direttore del Centro per la nanofisica e i materiali avanzati dell'UMD (CNAM; presto ribattezzato Quantum Materials Center) e coautore dell'articolo. "Il ditelluride di uranio potrebbe benissimo diventare il superconduttore di tripletto di spin "da manuale" che le persone hanno cercato per dozzine di anni e probabilmente ha in serbo altre sorprese. Potrebbe essere il prossimo rutenato di stronzio, un altro superconduttore di tripletto di spin proposto che è stato studiato per più di 25 anni."

La superconduttività è uno stato in cui gli elettroni viaggiano attraverso un materiale con perfetta efficienza. Al contrario, il rame, che è secondo solo all'argento in termini di capacità di condurre elettroni, perde circa il 20% di potenza sulle linee di trasmissione a lunga distanza, mentre gli elettroni si scontrano all'interno del materiale durante il viaggio.

La superconduttività di Lazzaro è particolarmente strana, perché i forti campi magnetici di solito distruggono lo stato superconduttore nella stragrande maggioranza dei materiali. Nel ditellururo di uranio, però, un forte campo magnetico accoppiato a specifiche condizioni sperimentali ha causato la comparsa della superconduttività di Lazzaro non solo una volta, ma due volte.

Per Butch, Paglione e la loro squadra, la scoperta di questa rara forma di superconduttività nel ditelluride di uranio è stata fortuita; l'autore principale dello studio, CNAM Research Associate Sheng Ran, sintetizzato il cristallo accidentalmente durante il tentativo di produrre un altro composto a base di uranio. Il team ha deciso di provare comunque alcuni esperimenti, anche se precedenti ricerche sul composto non avevano prodotto nulla di insolito.

La curiosità della squadra è stata presto premiata più volte. Nel precedente articolo su Science, i ricercatori hanno riferito che la superconduttività del ditelluride di uranio implicava configurazioni elettroniche insolite chiamate triplette di spin, in cui le coppie di elettroni sono allineate nella stessa direzione. Nella stragrande maggioranza dei superconduttori, gli orientamenti, chiamati spin, degli elettroni accoppiati puntano in direzioni opposte. Queste coppie sono (un po' controintuitivamente) chiamate canottiere. I campi magnetici possono disturbare più facilmente le canottiere, uccidendo la superconduttività.

Superconduttori a tripletto di spin, però, può sopportare campi magnetici molto più elevati. Le prime scoperte del team li hanno portati a NHMFL, dove una combinazione unica di magneti ad altissimo campo, la strumentazione capace e l'esperienza residente hanno permesso ai ricercatori di spingere ulteriormente il ditelluride di uranio.

Al laboratorio, il team ha testato il ditelluride di uranio in alcuni dei più alti campi magnetici disponibili. Esponendo il materiale a campi magnetici fino a 65 tesla, più di 30 volte la forza di un tipico magnete per risonanza magnetica, il team ha tentato di trovare il limite superiore al quale i campi magnetici hanno schiacciato la superconduttività del materiale. Butch e il suo team hanno anche sperimentato l'orientamento del cristallo di ditelluride di uranio a diversi angoli in relazione alla direzione del campo magnetico.

A circa 16 tesla, lo stato superconduttore del materiale cambiò bruscamente. Mentre è morto nella maggior parte degli esperimenti, persisteva quando il cristallo era allineato con un angolo molto specifico rispetto al campo magnetico. Questo comportamento insolito continuò fino a circa 35 tesla, a quel punto tutta la superconduttività è svanita e gli elettroni hanno spostato il loro allineamento, entrare in una nuova fase magnetica.

Mentre i ricercatori aumentavano il campo magnetico continuando a sperimentare con gli angoli, hanno scoperto che un diverso orientamento del cristallo ha prodotto un'altra fase superconduttiva che è durata almeno 65 tesla, la massima intensità di campo testata dal team. È stata una prestazione da record per un superconduttore e ha segnato la prima volta che due fasi superconduttive indotte dal campo sono state trovate nello stesso composto.

Invece di uccidere la superconduttività nel ditelluride di uranio, alti campi magnetici sembravano stabilizzarlo. Sebbene non sia ancora chiaro esattamente cosa stia accadendo a livello atomico, Butch ha affermato che le prove indicano un fenomeno fondamentalmente diverso da qualsiasi cosa gli scienziati abbiano visto fino ad oggi.

"Ho intenzione di uscire su un arto e dire che questi sono probabilmente diversi - meccanicamente quantistica diversi - da altri superconduttori di cui siamo a conoscenza, " disse Butch. "È sufficientemente diverso, Penso, aspettarsi che ci vorrà un po' per capire cosa sta succedendo."

Oltre alla sua fisica che sfida le convenzioni, il ditelluride di uranio mostra ogni segno di essere un superconduttore topologico, come altri superconduttori di spin tripletta, Butch ha aggiunto. Le sue proprietà topologiche suggeriscono che potrebbe essere un componente particolarmente accurato e robusto nei computer quantistici del futuro.

"La scoperta di questa superconduttività di Lazarus a campi record è tra le scoperte più importanti emerse da questo laboratorio nei suoi 25 anni di storia, " ha detto il direttore della NHMFL Greg Boebinger. "Non sarei sorpreso se svelare i misteri del ditelluride di uranio portasse in futuro a manifestazioni ancora più strane di superconduttività".