Gli scienziati alla ricerca di un tipo non convenzionale di superconduttore hanno prodotto le prove più convincenti fino ad oggi che ne hanno trovato uno. In un paio di carte, ricercatori del Quantum Materials Center (QMC) dell'Università del Maryland (UMD) e colleghi hanno dimostrato che il ditelluride di uranio (o UTe ₂ in breve) mostra molte delle caratteristiche di un superconduttore topologico, un materiale che potrebbe sbloccare nuovi modi per costruire computer quantistici e altri dispositivi futuristici.

"La natura può essere malvagia, "dice Johnpierre Paglione, un professore di fisica all'UMD, il direttore di QMC e autore senior su uno dei documenti. "Potrebbero esserci altri motivi per cui stiamo vedendo tutta questa roba stravagante, ma onestamente, nella mia carriera, Non ho mai visto niente del genere".

Tutti i superconduttori trasportano correnti elettriche senza alcuna resistenza. È un po' la loro cosa. Il cablaggio dietro le tue pareti non può rivaleggiare con questa impresa, che è uno dei tanti motivi per cui grandi bobine di fili superconduttori e non normali fili di rame sono stati utilizzati nelle macchine per risonanza magnetica e in altre apparecchiature scientifiche per decenni.

Ma i superconduttori raggiungono la loro superconduttanza in modi diversi. Dai primi anni 2000, gli scienziati hanno cercato un tipo speciale di superconduttore, uno che si basa su un'intricata coreografia delle particelle subatomiche che effettivamente trasportano la sua corrente.

Questa coreografia ha un regista sorprendente:una branca della matematica chiamata topologia. La topologia è un modo di raggruppare forme che possono essere delicatamente trasformate l'una nell'altra spingendo e tirando. Per esempio, una palla di pasta può essere modellata in una pagnotta di pane o in una torta di pizza, ma non puoi farne una ciambella senza farci un buco. Il risultato è che, topologicamente parlando, una pagnotta e una torta sono identiche, mentre una ciambella è diversa. In un superconduttore topologico, gli elettroni eseguono una danza l'uno intorno all'altro mentre circondano qualcosa di simile al buco al centro di una ciambella.

Sfortunatamente, non c'è un buon modo per aprire un superconduttore e ingrandire questi passi di danza elettronica. Al momento, il modo migliore per dire se gli elettroni stanno ballando o meno su una ciambella astratta è osservare come si comporta un materiale negli esperimenti. Fino ad ora, nessun superconduttore è stato definitivamente dimostrato essere topologico, ma i nuovi documenti mostrano che UTe ₂ sembra, nuota e ciarlata come il giusto tipo di anatra topologica.

Uno studio, dal team di Paglione in collaborazione con il gruppo di Aharon Kapitulnik alla Stanford University, rivela che non uno ma due tipi di superconduttività esistono simultaneamente in UTe ₂ . Utilizzando questo risultato, così come il modo in cui la luce viene alterata quando rimbalza sul materiale (oltre alle prove sperimentali precedentemente pubblicate), sono stati in grado di restringere i tipi di superconduttività presenti a due opzioni, entrambi i teorici credono siano topologico. Hanno pubblicato i loro risultati il ​​15 luglio, 2021, nel diario Scienza .

In un altro studio, una squadra guidata da Steven Anlage, professore di fisica all'UMD e membro del QMC, rivelato un comportamento insolito sulla superficie dello stesso materiale. I loro risultati sono coerenti con il fenomeno a lungo ricercato dei modi Majorana topologicamente protetti. modalità Majorana, particelle esotiche che si comportano un po' come la metà di un elettrone, si prevede che sorgano sulla superficie dei superconduttori topologici. Queste particelle eccitano particolarmente gli scienziati perché potrebbero essere la base per robusti computer quantistici. Anlage e il suo team hanno riportato i loro risultati in un articolo pubblicato il 21 maggio, 2021 sul giornale Comunicazioni sulla natura .

I superconduttori rivelano le loro caratteristiche speciali solo al di sotto di una certa temperatura, proprio come l'acqua si congela solo sotto lo zero Celsius. Nei normali superconduttori, gli elettroni si accoppiano in una linea conga a due persone, si susseguono attraverso il metallo. Ma in alcuni rari casi, le coppie di elettroni eseguono una danza circolare l'una intorno all'altra, più simile a un valzer. Il caso topologico è ancora più speciale:la danza circolare degli elettroni contiene un vortice, come l'occhio tra i venti vorticosi di un uragano. Una volta che gli elettroni si accoppiano in questo modo, il vortice è difficile da eliminare, che è ciò che distingue un superconduttore topologico da uno con un semplice, danza elettronica del bel tempo.

Già nel 2018, La squadra di Paglione, in collaborazione con il team di Nicholas Butch, professore associato di fisica all'UMD e fisico al National Institute of Standards and Technology (NIST), ha scoperto inaspettatamente che UTe ₂ era un superconduttore. Al momento, era chiaro che non era il tuo superconduttore medio. Soprattutto, sembrava sfasato da grandi campi magnetici, che normalmente distruggono la superconduttività dividendo le coppie di danza elettronica. Questo è stato il primo indizio che le coppie di elettroni in UTe ₂ stringetevi l'un l'altro più strettamente del solito, probabilmente perché la loro danza in coppia è circolare. Ciò ha suscitato molto interesse e ulteriori ricerche da parte di altri nel campo.

"È una specie di superconduttore tempesta perfetto, " dice Anlage. "Combina un sacco di cose diverse che nessuno ha mai visto insieme prima".

Nel nuovo Scienza carta, Paglione e i suoi collaboratori hanno riportato due nuove misurazioni che rivelano la struttura interna di UTe ₂ . Il team dell'UMD ha misurato il calore specifico del materiale, che caratterizza quanta energia ci vuole per riscaldarlo di un grado. Hanno misurato il calore specifico a diverse temperature iniziali e l'hanno osservato cambiare mentre il campione diventava superconduttore.

"Normalmente c'è un grande salto nel calore specifico alla transizione superconduttiva, “dice Paglione. “Ma vediamo che in realtà ci sono due salti. Quindi questa è la prova di due transizioni superconduttive, non solo uno. E questo è molto insolito".

I due salti hanno suggerito che gli elettroni in UTe ₂ possono accoppiarsi per eseguire uno dei due modelli di danza distinti.

In una seconda misurazione, il team di Stanford ha puntato la luce laser su un pezzo di UTe ₂ e ho notato che la luce che rifletteva era un po' distorta. Se mandassero la luce oscillando su e giù, la luce riflessa oscillava principalmente su e giù, ma anche un po' a destra ea sinistra. Ciò significava che qualcosa all'interno del superconduttore stava torcendo la luce e non la districava mentre usciva.

Il team di Kapitulnik a Stanford ha anche scoperto che un campo magnetico potrebbe costringere UTe ₂ nella luce torcente in un modo o nell'altro. Se applicassero un campo magnetico rivolto verso l'alto mentre il campione diventava superconduttore, la luce che esce sarebbe inclinata a sinistra. Se puntassero il campo magnetico verso il basso, la luce inclinata a destra. Questo ha detto che i ricercatori che, per gli elettroni che danzano all'interno del campione, c'era qualcosa di speciale nelle direzioni su e giù del cristallo.

Per capire cosa significasse tutto questo per gli elettroni che danzavano nel superconduttore, i ricercatori hanno arruolato l'aiuto di Daniel F. Agterberg, teorico e professore di fisica all'Università del Wisconsin-Milwaukee e coautore del Scienza carta. Secondo la teoria, il modo in cui gli atomi di uranio e tellurio sono disposti all'interno dell'UTe ₂ il cristallo consente alle coppie di elettroni di unirsi in otto diverse configurazioni di danza. Poiché la misurazione del calore specifico mostra che due balli si svolgono contemporaneamente, Agterberg ha enumerato tutti i diversi modi per abbinare questi otto balli insieme. La natura contorta della luce riflessa e il potere coercitivo di un campo magnetico lungo l'asse su-giù riducono le possibilità a quattro. Risultati precedenti che mostrano la robustezza di UTe ₂ la sua superconduttività sotto grandi campi magnetici lo ha ulteriormente vincolato a solo due di quelle coppie di danza, entrambi i quali formano un vortice e indicano un tempestoso, danza topologica.

"La cosa interessante è che, dati i limiti di ciò che abbiamo visto sperimentalmente, la nostra migliore teoria punta alla certezza che lo stato superconduttore è topologico, "dice Paglione.

Se la natura della superconduttività in un materiale è topologica, la resistenza andrà ancora a zero nella maggior parte del materiale, ma in superficie accadrà qualcosa di unico:Particelle, conosciuti come modi Majorana, apparirà e formerà un fluido che non è un superconduttore. Queste particelle rimangono anche sulla superficie nonostante i difetti del materiale o le piccole interruzioni dell'ambiente. I ricercatori hanno proposto che, grazie alle proprietà uniche di queste particelle, potrebbero essere una buona base per i computer quantistici. La codifica di un'informazione quantistica in diversi Majorana distanti tra loro rende l'informazione virtualmente immune ai disturbi locali che, finora, sono stati la rovina dei computer quantistici.

Il team di Anlage voleva sondare la superficie di UTe ₂ più direttamente per vedere se potevano individuare le firme di questo mare di Majorana. Fare quello, hanno inviato microonde verso un pezzo UTe ₂ , e misurò le microonde che uscivano dall'altra parte. Hanno confrontato l'output con e senza il campione, che ha permesso loro di testare contemporaneamente le proprietà della massa e della superficie.

La superficie lascia un'impronta sulla forza delle microonde, portando a un output che oscilla su e giù in sincronia con l'input, ma leggermente sottotono. Ma poiché la maggior parte è un superconduttore, non offre resistenza alle microonde e non ne altera la forza. Anziché, li rallenta, causando ritardi che fanno oscillare l'uscita su e giù non sincronizzata con l'ingresso. Osservando le parti non sincronizzate della risposta, i ricercatori hanno determinato quanti degli elettroni all'interno del materiale partecipano alla danza accoppiata a varie temperature. Trovarono che il comportamento concordava con le danze circolari suggerite dalla squadra di Paglione.

Forse ancora più importante, la parte in sincrono della risposta a microonde ha mostrato che la superficie di UTe ₂ non è superconduttore. Questo è insolito, poiché la superconduttività è solitamente contagiosa:mettere un metallo normale vicino a un superconduttore diffonde la superconduttività al metallo. Ma la superficie di UTe ₂ non sembrava catturare la superconduttività dalla massa, proprio come previsto per un superconduttore topologico, e invece ha risposto alle microonde in un modo mai visto prima.

"La superficie si comporta in modo diverso da qualsiasi superconduttore che abbiamo mai visto, "Anlage dice. "E poi la domanda è 'Qual è l'interpretazione di questo risultato anomalo?' E una delle interpretazioni, che sarebbe coerente con tutti gli altri dati, è che abbiamo questo stato superficiale topologicamente protetto che è una specie di involucro attorno al superconduttore di cui non puoi liberarti".

Si potrebbe essere tentati di concludere che la superficie di UTe ₂ è ricoperto da un mare di modi Majorana e dichiara vittoria. Però, affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie. Anlage e il suo gruppo hanno cercato di trovare ogni possibile spiegazione alternativa per ciò che stavano osservando e li hanno sistematicamente esclusi, dall'ossidazione sulla superficie alla luce che colpisce i bordi del campione. Ancora, è possibile che una sorprendente spiegazione alternativa debba ancora essere scoperta.

"Nella parte posteriore della tua testa pensi sempre 'Oh, forse erano i raggi cosmici', o 'Forse era qualcos'altro, '", dice Anlage. "Non puoi mai eliminare al 100% ogni altra possibilità".

Da parte di Paglione, dice che la pistola fumante non sarà altro che l'uso delle modalità Majorana di superficie per eseguire un calcolo quantistico. Però, anche se la superficie di UTe ₂ ha davvero un sacco di modalità Majorana, al momento non esiste un modo semplice per isolarli e manipolarli. Ciò potrebbe essere più pratico con un film sottile di UTe ₂ invece dei cristalli (più facili da produrre) che sono stati utilizzati in questi recenti esperimenti.

"Abbiamo alcune proposte per provare a fare film sottili, "dice Paglione. "Perché è uranio ed è radioattivo, richiede alcune nuove attrezzature. Il prossimo compito sarebbe provare effettivamente a vedere se possiamo far crescere i film. E poi il prossimo compito sarebbe provare a creare dispositivi. Quindi ciò richiederebbe diversi anni, ma non è pazzesco".

Se UTe ₂ si rivela essere il tanto atteso superconduttore topologico o semplicemente un piccione che ha imparato a nuotare e a schiamazzare come un'anatra, sia Paglione che Anlage sono entusiasti di continuare a scoprire cosa ha in serbo il materiale.

"È abbastanza chiaro però che c'è un sacco di fisica interessante nel materiale, "Anlage dice. "Che si tratti o meno di Majoranas in superficie è certamente una questione consequenziale, ma sta esplorando una nuova fisica che è la cosa più eccitante".