Künstlerische Darstellung eines Neutrons, das in Experimenten des Oak Ridge National Laboratory auf eine Probe von supraleitendem Uranditellurid trifft. Kristalle aus Uran (dunkelgrau) und Tellur (braun) stehen im Verdacht, Spin-Triplett-Supraleitung zu beherbergen, einen Zustand, der durch Elektronenpaare mit in dieselbe Richtung weisenden Spins (blau) gekennzeichnet ist. In Neutronenstreuexperimenten stören einfallende Neutronen Paare, indem sie einen Spin in die entgegengesetzte Richtung (rot) umdrehen, was verräterische Beweise für den quantenmechanischen Zustand des Paares liefert. Bildnachweis: Jill Hemman/ORNL
Ein rätselhaftes Ergebnis zwingt Physiker, die „Spin-Triplett“-Supraleitung zu überdenken.
Eine von der Rice University geleitete Studie zwingt Physiker, die Supraleitung in Uranditellurid zu überdenken, einem Material auf der A-Liste im weltweiten Wettlauf um fehlertolerante Quantencomputer.
Es wird angenommen, dass Uranditellurid-Kristalle eine seltene „Spin-Triplett“-Form der Supraleitung beherbergen, aber diese Woche wurden rätselhafte experimentelle Ergebnisse veröffentlicht Natur haben die führende Erklärung dafür, wie der Aggregatzustand im Material entstehen konnte, auf den Kopf gestellt. Neutronenstreuexperimente von Physikern des Rice, des Oak Ridge National Laboratory, der University of California, San Diego und des National High Magnetic Field Laboratory at Florida State University enthüllten verräterische Anzeichen für antiferromagnetische Spinfluktuationen, die mit der Supraleitung in Uranditellurid gekoppelt waren.
Spin-Triplett-Supraleitung wurde in einem Festkörpermaterial nicht beobachtet, aber Physiker vermuteten seit langem, dass sie aus einem geordneten ferromagnetischen Zustand entsteht. Der Wettlauf um Spin-Triplett-Materialien hat sich in den letzten Jahren aufgrund ihres Potenzials, schwer fassbare Quasiteilchen namens Majorana-Fermionen zu beherbergen, die zur Herstellung fehlerfreier Quantencomputer verwendet werden könnten, verschärft.
“Menschen haben Milliarden von Dollar ausgegeben, um nach ihnen zu suchen”, sagte Pengcheng Dai, Mitautor der Rice-Studie, über Majorana-Fermionen, hypothetische Quasiteilchen, die verwendet werden könnten, um topologische Quantenbits von der problematischen Dekohärenz zu befreien, die Qubits in heutigen Quantencomputern plagen.
„Das Versprechen ist, dass ein Spin-Triplett-Supraleiter potenziell zur Herstellung topologischer Qubits verwendet werden kann“, sagte Dai, Professor für Physik und Astronomie und Mitglied der Rice Quantum Initiative. „Das ist mit Spin-Singulett-Supraleitern nicht möglich. Das ist der Grund, warum die Leute sehr daran interessiert sind.“
Die Physiker der Rice University (von links) Pengcheng Dai, Chunruo Duan und Qimiao Si haben gemeinsam eine Studie verfasst, die rätselhafte Ergebnisse über Uranditellurid enthüllte, ein Material, das seit langem verdächtigt wird, eine seltene „Spintriplett“-Form der Supraleitung zu beherbergen. Bildnachweis: Foto von Jeff Fitlow/Rice University
Supraleitung tritt auf, wenn Elektronen Paare bilden und sich als eins bewegen, wie Paare, die sich über eine Tanzfläche drehen. Elektronen hassen sich von Natur aus, aber ihre Tendenz, anderen Elektronen auszuweichen, kann durch ihren inhärenten Wunsch nach einer Existenz mit niedriger Energie überwunden werden. Wenn Elektronen durch die Paarung einen fauleren Zustand erreichen können, als sie es allein erreichen könnten – was nur bei extrem kalten Temperaturen möglich ist – können sie zu Paaren gelockt werden.
Das Überreden kommt in Form von Schwankungen in ihrer physikalischen Umgebung. In normalen Supraleitern wie Blei sind die Fluktuationen Schwingungen im Atomgitter der Bleiatome innerhalb des supraleitenden Drahtes. Physiker müssen noch die Fluktuationen identifizieren, die in Materialien wie Uranditellurid zu unkonventioneller Supraleitung führen. Aber jahrzehntelange Studien haben Phasenänderungen gefunden – Wendepunkte, in denen sich Elektronen spontan neu anordnen – an den kritischen Punkten, an denen die Paarung beginnt.
In den Gleichungen der Quantenmechanik werden diese spontanen geordneten Anordnungen durch Terme repräsentiert, die als Ordnungsparameter bekannt sind. Der Name Spintriplett bezieht sich auf den spontanen Zusammenbruch von drei Symmetrien in diesen geordneten Anordnungen. Zum Beispiel drehen sich Elektronen ständig, wie winzige Stabmagnete. Ein Ordnungsparameter bezieht sich auf ihre Drehachse (denken Sie an den Nordpol), die nach oben oder unten zeigt. Ferromagnetische Ordnung ist, wenn alle Spins in die gleiche Richtung zeigen, und antiferromagnetische Ordnung ist, wenn sie sich in einer Auf-Ab-, Auf-Ab-Anordnung abwechseln. Im einzigen bestätigten Spin-Triplett, dem superflüssigen Helium-3, hat der Ordnungsparameter nicht weniger als 18 Komponenten.
„Alle anderen Supraleitfähigkeiten sind Spin-Singuletts“, sagte Dai, der auch Mitglied von Rice’s Center for Quantum Materials (RCQM) ist. „In einem Spin-Singulett gibt es einen Spin nach oben und einen Spin nach unten, und wenn Sie ein Magnetfeld anlegen, kann es die Supraleitung leicht zerstören.“
Das liegt daran, dass das Magnetfeld die Spins so drückt, dass sie sich in die gleiche Richtung ausrichten. Je stärker das Feld, desto stärker der Schub.
„Das Problem mit Uranditellurid ist, dass das Feld, das zur Zerstörung der Supraleitung benötigt wird, 40 Tesla beträgt“, sagte Dai. “Das ist riesig. 40 Jahre lang dachten die Leute, die einzige Möglichkeit dafür sei, dass die Spins beim Anlegen eines Felds bereits in eine Richtung ausgerichtet sind, was bedeutet, dass es sich um einen Ferromagneten handelt.“
In der Studie arbeiteten Dai und Rice Postdoktorand Chunruo Duan, der Hauptautor der Studie, mit dem Co-Autor des Staates Florida, Ryan Baumbach, dessen Labor die im Experiment verwendeten Einkristallproben von Uranditellurid züchtete, und dem Co-Autor von UC San Diego zusammen Brian Maple, dessen Labor die Proben für Neutronenstreuexperimente an der Spallation Neutronenquelle von Oak Ridge testete und vorbereitete.
„Was das Neutron tut, ist, mit einer bestimmten Energie und einem bestimmten Impuls hereinzukommen, und es kann die Cooper-Paar-Spins von einem Aufwärts-Zustand in einen Aufwärts-Abwärts-Zustand umdrehen“, sagte Dai. „Es sagt Ihnen, wie die Paare gebildet werden. Aus dieser Neutronenspinresonanz kann man im Wesentlichen die Elektronenpaarungsenergie und andere verräterische Eigenschaften der quantenmechanischen Wellenfunktion bestimmen, die das Paar beschreibt, sagte er.
Dai sagte, es gebe zwei mögliche Erklärungen für das Ergebnis: Entweder ist Uranditellurid kein Spin-Triplett-Supraleiter, oder die Spin-Triplett-Supraleitung entsteht aus antiferromagnetischen Spinfluktuationen auf eine Weise, die sich Physiker vorher nicht vorstellen konnten. Dai sagte, jahrzehntelange experimentelle Beweise deuten auf letzteres hin, aber dies scheint die konventionelle Weisheit über Supraleitung zu verletzen. Also tat sich Dai mit Rice-Kollege Qimiao Si zusammen, einem theoretischen Physiker, der sich auf aufkommende Quantenphänomene wie unkonventionelle Supraleitung spezialisiert hat.
Si, ein Co-Autor der Studie, verbrachte einen Großteil der letzten fünf Jahre damit, eine Theorie der multiorbitalen Paarung zu zeigen, die er gemeinsam mit seinem früheren Ph.D. Student Emilian Nica erklärt widersprüchliche experimentelle Ergebnisse in verschiedenen Arten von unkonventionellen Supraleitern, darunter schwere Fermionen, die Klasse, zu der Uranditellurid gehört.
Bei der multiorbitalen Paarung bilden Elektronen in einigen Atomschalen eher Paare als in anderen. Si erinnerte sich daran, dass Uran das Potenzial hatte, gepaarte Elektronen aus einem der sieben Orbitale mit 14 möglichen Zuständen beizutragen.
“Multiorbitale waren das erste, was mir in den Sinn kam”, sagte er. „Es wäre nicht möglich, wenn Sie nur ein Band oder ein Orbital hätten, aber Orbitale verleihen möglichen unkonventionellen Supraleiterpaarungen eine neue Dimension. Sie sind wie eine Farbpalette. Die Farben sind die internen Quantenzahlen, und die f-Elektronen in den uranbasierten, schweren Fermionenmaterialien sind natürlich auf diese Farben eingestellt. Sie führen zu neuen Möglichkeiten, die über das „Periodensystem der Paarungszustände“ hinausgehen. Eine dieser neuen Möglichkeiten stellt sich als Spin-Triplett-Paarung heraus.“
Si und Nica, die jetzt an der Arizona State University sind, zeigten, dass antiferromagnetische Korrelationen zu plausiblen, energiearmen Spin-Triplett-Paarungszuständen führen könnten.
„Spin-Triplett-Paarungszustände sind in den allermeisten Fällen höchst unwahrscheinlich, da sich Paare als Spin-Singuletts bilden, um ihre Energie zu senken“, sagte Si. „In Uranditellurid kann die Spin-Bahn-Kopplung die Energielandschaft so verändern, dass die Spin-Triplett-Paarungszustände mit ihren Spin-Singulett-Gegenstücken wettbewerbsfähiger werden.“
Referenz: „Resonanz von antiferromagnetischen Spinfluktuationen für Supraleitung in Ute2“ von Chunruo Duan, RE Baumbach, Andrey Podlesnyak, Yuhang Deng, Camilla Moir, Alexander J. Breindel, M. Brian Maple, EM Nica, Qimiao Si und Pengcheng Dai, 22. Dezember 2021, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-021-04151-5
Si ist die Harry-C.- und Olga-K.-Wiess-Professorin in Rice’s Department of Physics and Astronomy und Direktor des RCQM. Weitere Co-Autoren sind Andrey Podlesnyak von Oak Ridge und Yuhang Deng, Camilla Moir und Alexander Breindel von der UC San Diego.
Die Forschung wurde unterstützt durch das Office of Basic Energy Science des Department of Energy Office of Science (DE-SC0012311, DE-SC0016568, DE-SC0018197, DEFG02-04-ER46105), die Robert A. Welch Foundation (C-1839, C- 1411), der National Science Foundation (1644779, 1810310, 1607611) und des Staates Florida, der Arizona State University und der DOE Office of Science User Facility an der Spallation Neutronenquelle des Oak Ridge National Laboratory.