2019年10月7日

在有希望的材料中观察到罕见的“拉撒路超导”

稀有的“拉撒路超导”;在有希望的材料中观察到 Emily Edwards/马里兰大学

在一种曾经被认为无聊的铀基化合物中,科学家们观察到了超导性的产生、消失,然后在强磁场的影响下恢复生命。

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繁荣!

你听到了吗?这是另一只科学鞋掉落的砰的一声。它属于物理学家尼克·布奇爱游戏提现客服国家标准和技术研究所他刚刚发表了几个月来在一种科学家长期以来一直认为有点无用的材料上的第二个重大发现:二碲化铀(uranium ditelluride,简称UTe)2

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最初,尼克·布奇对二碲化铀(UTe2).正如他在下面解释的那样,他的团队实际上是在试图创造另一种基于铀的化合物(与UTe不同)2)是铁磁性的。但他们带走了侥幸,带着它跑了。

“我感兴趣的部分原因是什么稳定了低温铁磁体,并试图了解这是否与超导性的存在有关。我们碰巧制造了二碲化铀。我们没有想要做这个;我们在研究其他化合物。如果你读了两年前的文献,你会觉得它很无聊,因为它被研究过,被发现是无聊的具有磁性,其他方面并不显著。

“但我们碰巧测量了更低的温度。我们认为可能存在某种低温磁性,或者我们会很幸运。我们很幸运——但方向相反:我们得到了超导。事实证明,它不仅仅是普通的超导,但无论如何是多少。这真的很令人兴奋。

“一旦我们看到这一点,我们就有一种感觉,我们知道它会是什么样子,以及我们下一步应该在哪里寻找有趣的行为。但这一发现本身就是一个惊喜。而且是非常令人兴奋的。

“我在这个发现中经历的一件事是想,‘哦,这是有趣的是:我们最好检查一下,确保它没有错。’你会一直这样做,因为越有趣、越与众不同的东西,你的举证责任就越重。你确定有什么不同吗?也许这只是土。也许是别的原因。也许我们的信号不好。我们的测量对吗?所以我们一直在试验。然后,从某种意义上说,这就像中了彩票,因为事实证明我们没有做错。结果是可复制的。这——这太好了。”

-为简洁明了,评论已经过编辑。

上个月,第一双鞋出现在了科学,布奇宣布了UTe的发现2展示了令人兴奋的特殊性质,因为他们所阐述的新物理和它们在量子计算机中的潜在用途

他的团队包括来自马里兰大学和国家磁实验室(爱游戏提现客服National MagLab)观察到一种特殊的超导状态,在这种状态下,电子能以完美的效率穿过材料。(相比之下,在铜的长距离传输线中,大约有20%的能量会损失,因为电子在前进过程中会大量碰撞。)科学家们发现的这种罕见行为被称为自旋三重态超导,这表明他们看到的只是UTe的尖端2冰山一角。

今天的“扔鞋事件”证实了这种怀疑。在一篇发表于自然物理由另一个在国家磁实验室工作的布奇领导的团队发现,冰山的更大一块已经浮出水面。爱游戏提现客服

事实上,它可以说是死而复生:研究小组发现,在一定条件下,破坏绝大多数材料超导态的高磁场出现了,使其在UTe中复活2这种类似拉撒路的效应被称为重入超导。研究小组观察到这种“拉撒路超导”不止一次,而是两次。

“这是一种最近发现的超导体,具有许多其他非常规的行为,”布奇说。“这是已经奇怪的。”

他补充说,拉撒路超导性的新变化并非随机的。布奇说:“这几乎可以肯定与材料的新颖性有关。”“里面有些不一样的东西。”

如果布奇没有把科学柠檬变成柠檬水,那“东西”可能仍然隐藏着。

布奇的乌特2意外之财是一种侥幸:他的团队在试图制造另一种基于铀的化合物时偶然合成了这种晶体。尽管之前对这种化合物的研究没有发现任何异常,但他们还是决定去看看。

但他们越看越喜欢。在科学他们报告说UTe2的超导性涉及一种称为自旋三联体的不寻常电子构型,在这种构型中,电子对沿同一方向排列。在绝大多数超导体中,成对电子的方向(称为“自旋”)指向相反的方向,称为单线态。磁场很容易破坏单线态,杀死超导性。然而,自旋三态超导体可以承受更高的磁场。

布奇的早期发现将他引向了国家磁实验室,这是一个由美国宇航局资助的用户设施爱游戏提现客服爱游戏提现客服国家科学基金(DMR-164479)和佛罗里达州.利用实验室独特的高磁场磁铁、仪器和专业知识的组合,他的团队可以推动UTe2甚至进一步。

在某种程度上,布奇是把材料带进了狮子窝。磁场与电子相互作用,当磁场足够强时,会击穿导致超导的电子对,为物理学家提供有关材料行为的重要信息,这些信息可能会激发新的技术装置。

在MagLab,研究小组在实验室的一些最高磁场(高达65特斯拉,是MRI磁体强度的30多倍)中测试了这种材料直流现场设备佛罗里达州立大学和它的脉冲场设备洛斯阿拉莫斯国家实验室爱游戏提现客服.他们的目标是:看看电场在什么时候粉碎超导性。除了强磁铁和低温(大多数超导体只有在非常冷的情况下才能工作),Butch和他的团队还引入了第三个参数:他们将UTe定向2晶体与-à-vis磁场方向的特定角度。

除了他们在低场下观察到的超导外,他们还发现了两种不同的超导可重入在特定的角度和更高的磁场下出现的超导性。

该图描述了布奇团队在不同磁场和角度下在二碲化铀中发现的不同类型的超导性。

该图描述了布奇团队在不同磁场和角度下在二碲化铀中发现的不同类型的超导性。
图片由Nick Butch提供

在大约16特斯拉时,材料的超导状态突然发生了变化:虽然它在大多数实验中都消失了,但当晶体以与场相关的一个非常特定的角度对准时,它仍然存在。这种行为一直持续到35特斯拉左右。在这一点上,不仅所有的超导性都消失了,而且电子在磁场中的排列也发生了变化,进入了一个新的磁相。

但乌特2它还有一个锦囊妙计。当研究人员在继续调整角度的同时,将电场调得更高时,他们发现晶体与电场的不同方向产生了另一个超导相,这个相持续到至少65特斯拉,这是测试的最大磁场。对于超导体来说,这是一项打破记录的性能,也是一项前所未有的发现:首次在同一种化合物中发现了两种场致超导相。高磁场似乎并没有杀死超导,而是稳定了它。

虽然目前还不清楚在原子层面上究竟发生了什么,但布奇说,这些证据指向了一种与科学家迄今为止看到的任何现象都根本不同的现象。

“我要大胆地说,这些超导体可能与我们所知道的其他超导体不同——量子力学上的不同,”布奇说。“我认为,现在的情况已经大不相同了,预计需要一段时间才能弄清楚到底发生了什么。”

尼克·布奇尼克·布奇
图片来源:F. Webber/NIST
随着关于布奇的有趣发现的消息传播开来,寻找的步伐加快了,世界各地的科学家们都开始了他们自己对铀二醇的研究——这是对科学最真诚的奉承。

在国家磁实验室爱游戏提现客服,主任格雷格·勃宾格(Greg Boebinger)是预测科学家将从UTe中提取物质的人之一2在未来的许多年里。

“在创纪录的高磁场中发现‘拉撒路超导’很可能是这个实验室25年历史中最重要的发现之一,”Boebinger说。“如果解开UTe的奥秘,我不会感到惊讶2在未来会导致更奇怪的超导现象。”

在它打破常规的物理基础上,UTe2显示出拓扑超导体的所有迹象,就像其他自旋三重态超导体一样,布奇说。它的拓扑特性表明,在未来的量子计算机中,它可能是一个特别精确和强大的组件。

“也许,”布奇大胆地说,“在这条路上,我们会用它来制造设备。”

听起来我们都应该留心掉鞋的事。

研究论文,“极端磁场促进超导”,由Ran Sheng, I-Lin Liu, Yun Suk Eo, Daniel Campbell, Paul Neves, Wesley Fuhrman, Shanta Saha, Christopher Eckberg, Hyunsoo Kim, Johnpierre Paglione, David Graf, Fedor Balakirev, John Singleton和Nicholas Butch发表在杂志上自然物理2019年10月7日。

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