Da quando si è scoperto che era un superconduttore circa cinque anni fa, il ditelluride di uranio ha creato molto fermento nella comunità dei materiali quantistici e molta confusione, con più di una dozzina di teorie sulla vera natura delle sue proprietà superconduttrici. Alcuni hanno suggerito preziose possibilità per l'informatica quantistica.

In un esperimento, Brad Ramshaw, professore associato di fisica al College of Arts and Sciences (A&S) e colleghi hanno utilizzato gli ultrasuoni per raccogliere prove dirette che la ditelluride di uranio ha un parametro di ordine superconduttore monocomponente, escludendo un tipo più esotico di superconduttore. sarebbe stata una notizia entusiasmante per l’informatica quantistica. Ma stabilire una base di dati per la superconduttività intrinseca del materiale lascia ancora la porta aperta alla scoperta di ulteriori possibilità complesse attraverso ulteriori studi.

L'esperimento stabilisce che i recenti sviluppi tecnici nel laboratorio di Ramshaw rendono gli ultrasuoni a eco-impulso, che utilizzano impulsi sonori per esaminare la rigidità meccanica dei materiali quantistici, una tecnica affidabile e desiderabile per esaminare i materiali superconduttori.

Il rapporto di ricerca, intitolato "Superconduttività a componente singolo in UTe₂ a pressione ambiente", è pubblicato su Nature Physics . Ramshaw è l'autore corrispondente con il dottorando Florian Theuss come primo autore. Il dottorando Avi Shragai e l'ex ricercatore post-dottorato Gael Grissonnanche, ora docente presso l'Institut Polytechnique di Parigi, hanno contribuito, insieme a collaboratori dell'Università del Maryland e dell'Università del Wisconsin, Milwaukee.

"Tutti i superconduttori hanno resistenza pari a zero, ma a un livello più sottile ci sono diversi tipi di superconduttori", ha detto Ramshaw. "I ricercatori sono interessati a trovare questi diversi sapori perché, primo, non sappiamo nemmeno se esistano, anche se in teoria sappiamo che possono esistere. E secondo, possono essere utilizzati in tecnologie come il calcolo quantistico. Hai bisogno di nuovi tipologie di superconduttori per le nuove tecnologie."

Una strana combinazione di proprietà del ditelluride di uranio suggerì inizialmente che potesse trattarsi di questo nuovo tipo di superconduttore. La sua temperatura critica (quanto freddo deve raggiungere prima di passare allo stato superconduttore) è relativamente bassa, circa 2 Kelvin. Ma la sua bassa temperatura critica è abbinata a un campo critico molto elevato, la misura della quantità di campo magnetico che può sopportare prima che lo stato superconduttore collassi.

"Normalmente ci aspetteremmo che resista a uno o due tesla, ma può resistere a circa 60", ha detto Ramshaw. "È quasi 100 volte più forte di qualsiasi campo magnetico che potresti incontrare nella vita di tutti i giorni. Questo ci dice che c'è qualcosa di strano, che forse è uno di quei nuovi tipi di superconduttività."

Ramshaw e i suoi collaboratori volevano scoprire se il materiale avesse, come avevano previsto alcune teorie ed esperimenti esistenti, un parametro di ordine superconduttore multicomponente, che comportava effetti esotici; o parametro d'ordine a componente singolo, ancora potenzialmente esotico ma molto più vincolato.

Theuss ha condotto un esperimento utilizzando gli ultrasuoni a eco-impulso su un campione di 1 millimetro per 1 millimetro per scoprire l'interazione tra la struttura e la superconduttività nella ditelluride di uranio. La tecnica misura la velocità di un impulso sonoro che si muove attraverso un materiale, lo stesso principio dell'imaging ecografico medico. La differenza è che invece di produrre immagini, i ricercatori hanno misurato la velocità del suono per rilevare il cambiamento nella rigidità del materiale mentre si raffreddava fino a raggiungere e superare la temperatura critica.

"Possiamo misurare la distanza tra gli echi sonori con una precisione fenomenale. Questo è il vero potere dell'esperimento", ha affermato Ramshaw.

Piccoli altoparlanti (trasduttori) collegati al campione pompavano un impulso sonoro direttamente nel materiale in tre direzioni diverse, misurando sia tre onde di compressione che tre onde di taglio:le vibrazioni laterali presenti solo nei solidi.

Alla temperatura critica, le onde di compressione hanno mostrato un calo improvviso in cui la velocità del suono è crollata, come previsto per tutti i superconduttori. Tuttavia, le onde di taglio non hanno mostrato tale calo.

"Se fosse stato uno dei tipi esotici di superconduttività proposti dagli scienziati, anche queste onde di taglio avrebbero avuto un calo", ha detto Ramshaw.

I ricercatori forniscono prove dirette che questo materiale ha un parametro di ordine a componente singolo. Questa conclusione, tuttavia, non placa l'entusiasmo per la superconduttività del ditelluride di uranio, che presenta molti aspetti interessanti che meritano ulteriori studi, inclusa la sua straordinaria forte repulsione al magnetismo.

L’applicazione di pressione o campi magnetici al di sotto della temperatura critica potrebbe cambiare il tipo di superconduttività, forse anche creando la sfuggente superconduttività spin-tripletta a due componenti, ha detto Ramshaw. Lo studio attuale fornisce un punto di partenza basato sui dati.

"Sicuramente c'è molto altro da scoprire in questo materiale. Abbiamo appena iniziato", ha detto Theuss, che ha lavorato con la ditelluride di uranio per gran parte del suo dottorato. candidatura. "Ma se vuoi spiegare queste cose complicate, devi iniziare dai fatti intrinseci di base della superconduttività in UTe₂ ."