Vue d’artiste d’un neutron frappant un échantillon de ditellurure d’uranium supraconducteur lors d’expériences au laboratoire national d’Oak Ridge. Les cristaux d’uranium (gris foncé) et de tellure (brun) sont suspectés d’héberger une supraconductivité spin-triplet, un état marqué par des paires d’électrons avec des spins pointés dans la même direction (bleu). Dans les expériences de diffusion de neutrons, les neutrons entrants perturbent les paires en retournant un spin dans la direction opposée (rouge), révélant des preuves révélatrices de l’état mécanique quantique de la paire. Crédit : Jill Hemman/ORNL
Un résultat déroutant oblige les physiciens à repenser la supraconductivité « spin-triplet ».
Une étude dirigée par l’Université Rice oblige les physiciens à repenser la supraconductivité dans le ditellurure d’uranium, un matériau de liste A dans la course mondiale pour créer des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes.
On pense que les cristaux de ditellurure d’uranium hébergent un rare “spin-triplet” forme de supraconductivité, mais des résultats expérimentaux déroutants publiés cette semaine dans La nature ont renversé l’explication principale de la façon dont l’état de la matière pourrait survenir dans le matériau. Expériences de diffusion de neutrons par des physiciens de Rice, d’Oak Ridge National Laboratory, de l’Université de Californie à San Diego et du National High Magnetic Field Laboratory à Université d’État de Floride ont révélé des signes révélateurs de fluctuations de spin antiferromagnétiques couplées à la supraconductivité dans le ditellurure d’uranium.
La supraconductivité spin-triplet n’a pas été observée dans un matériau à l’état solide, mais les physiciens ont longtemps soupçonné qu’elle provenait d’un état ordonné ferromagnétique. La course à la recherche de matériaux à triplet de spin s’est intensifiée ces dernières années en raison de leur potentiel d’hébergement de quasiparticules insaisissables appelées Fermions de Majorane qui pourrait être utilisé pour faire ordinateurs quantiques sans erreur.
“Les gens ont dépensé des milliards de dollars pour essayer de les rechercher”, a déclaré Pengcheng Dai, co-auteur de l’étude Rice à propos de Majorana fermions, quasiparticules hypothétiques qui pourrait être utilisé pour faire bits quantiques topologiques libre de la décohérence problématique qui ronge qubits dans les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui.
“La promesse est que si vous avez un supraconducteur à spin triplet, il peut potentiellement être utilisé pour créer des qubits topologiques”, a déclaré Dai, professeur de physique et d’astronomie et membre de la Rice Quantum Initiative. « Vous ne pouvez pas faire cela avec des supraconducteurs à spin unique. C’est pourquoi les gens sont extrêmement intéressés par cela.
Les physiciens de l’Université Rice (de gauche à droite) Pengcheng Dai, Chunruo Duan et Qimiao Si ont co-écrit une étude qui a révélé des résultats déroutants sur le ditellurure d’uranium, un matériau longtemps soupçonné d’héberger une forme rare de supraconductivité « spin-triplet ». Crédit : photo de Jeff Fitlow/Rice University
La supraconductivité se produit lorsque les électrons forment des paires et se déplacent comme un seul, comme des couples filant sur une piste de danse. Les électrons se détestent naturellement les uns les autres, mais leur tendance à éviter les autres électrons peut être surmontée par leur désir inhérent d’une existence à faible énergie. Si l’appariement permet aux électrons d’atteindre un état plus semblable à celui d’un paresseux qu’ils ne pourraient l’atteindre par eux-mêmes – ce qui n’est possible qu’à des températures extrêmement froides – ils peuvent être cajolés en paires.
Le cajolerie se présente sous la forme de fluctuations dans leur environnement physique. Dans les supraconducteurs normaux, comme le plomb, les fluctuations sont des vibrations dans le réseau atomique des atomes de plomb à l’intérieur du fil supraconducteur. Les physiciens doivent encore identifier les fluctuations qui entraînent une supraconductivité non conventionnelle dans des matériaux comme le ditellurure d’uranium. Mais des décennies d’études ont trouvé des changements de phase – des moments décisifs où les électrons se réarrangent spontanément – aux points critiques où commence l’appariement.
Dans les équations de la mécanique quantique, ces arrangements ordonnés spontanés sont représentés par des termes appelés paramètres d’ordre. Le nom de triplet de spin fait référence à la rupture spontanée de trois symétries dans ces arrangements ordonnés. Par example, les électrons tournent constamment, comme de minuscules barres magnétiques. Un paramètre d’ordre concerne leur axe de rotation (pensez au pôle nord), qui pointe vers le haut ou vers le bas. L’ordre ferromagnétique est lorsque tous les spins pointent dans la même direction, et l’ordre antiferromagnétique est lorsqu’ils alternent dans un arrangement haut-bas et haut-bas. Dans le seulement confirmé spin-triplet, hélium-3 superfluide, le paramètre de commande n’a pas moins de 18 composants.
“Toutes les autres supraconductivités sont des singules de spin”, a déclaré Dai, qui est également membre du Centre de Rice pour les matériaux quantiques (RCQM). “Dans un singulet de spin, vous avez un spin up et un spin down, et si vous mettez un champ magnétique, il peut facilement détruire la supraconductivité.”
C’est parce que le champ magnétique pousse les spins à s’aligner dans la même direction. Plus le champ est fort, plus la poussée est forte.
« Le problème avec le ditellurure d’uranium est le champ requis pour détruire la supraconductivité est de 40 Tesla », a déclaré Dai. “C’est énorme. Pendant 40 ans, les gens pensaient que la seule possibilité que cela se produise était que lorsque vous mettez un champ, les rotations sont déjà alignées dans une direction, ce qui signifie qu’il s’agit d’un ferromagnétique.
Dans l’étude, Chunruo Duan, associé de recherche postdoctorale de Dai et Rice, l’auteur principal de l’étude, a travaillé avec le co-auteur de l’État de Floride, Ryan Baumbach, dont le laboratoire a cultivé les échantillons de monocristal de ditellurure d’uranium utilisés dans l’expérience, et le co-auteur de l’UC San Diego. Brian Maple, dont le laboratoire a testé et préparé les échantillons pour des expériences de diffusion de neutrons à la source de neutrons de spallation d’Oak Ridge.
“Ce que le neutron fait, c’est arriver avec une énergie et un élan particuliers, et il peut faire basculer les spins de la paire de Cooper d’un état ascendant à un état descendant”, a déclaré Dai. « Il vous indique comment les paires sont formées. À partir de cette résonance de spin des neutrons, on peut essentiellement déterminer l’énergie d’appariement des électrons » et d’autres propriétés révélatrices de la fonction d’onde de la mécanique quantique qui décrit la paire, a-t-il déclaré.
Dai a déclaré qu’il y a deux explications possibles pour le résultat : soit le ditellurure d’uranium n’est pas un supraconducteur à spin-triplet, soit la supraconductivité à spin-triplet résulte de fluctuations de spin antiferromagnétiques d’une manière que les physiciens n’avaient pas imaginée auparavant. Dai a dit que des décennies de preuves expérimentales pointe vers ce dernier, mais cela semble violer la sagesse conventionnelle sur la supraconductivité. Dai a donc fait équipe avec son collègue de Rice, Qimiao Si, un physicien théoricien spécialisé dans les phénomènes quantiques émergents comme la supraconductivité non conventionnelle.
Si, un co-auteur de l’étude, a passé une grande partie des cinq dernières années à montrer une théorie de l’appariement multiorbital qu’il a co-développé avec un ancien doctorat. étudiant Emilian Nica explique des résultats expérimentaux contradictoires dans plusieurs types de supraconducteurs non conventionnels, y compris les fermions lourds, la classe qui comprend le ditellurure d’uranium.
Dans l’appariement multiorbital, les électrons de certaines couches atomiques sont plus susceptibles de former des paires que d’autres. Si s’est rappelé avoir pensé que l’uranium avait le potentiel de fournir des électrons appariés à partir de l’une des sept orbitales avec 14 états possibles.
“Les multiorbitales ont été la première chose qui m’est venue à l’esprit”, a-t-il déclaré. « Ce ne serait pas possible si vous n’aviez qu’une seule bande ou une seule orbitale, mais les orbitales apportent une nouvelle dimension aux possibles appariements supraconducteurs non conventionnels. Ils sont comme une palette de couleurs. Les couleurs sont les nombres quantiques internes, et les f électrons dans les matériaux à base d’uranium, les matériaux à fermions lourds sont naturellement mis en place pour avoir ces couleurs. Ils conduisent à de nouvelles possibilités qui vont au-delà du « tableau périodique des états d’appariement ». L’une de ces nouvelles possibilités s’avère être l’appariement spin-triplet.
Si et Nica, qui sont maintenant à l’Arizona State University, ont montré que des corrélations antiferromagnétiques pourraient donner lieu à des états d’appariement spin-triplet plausibles et de faible énergie.
“Les états d’appariement spin-triplet sont hautement improbables dans la grande majorité des cas, car les paires se formeront sous forme de singules de spin afin de réduire leur énergie”, a déclaré Si. “Dans le ditellurure d’uranium, le couplage spin-orbite peut changer le paysage énergétique d’une manière qui rend les états d’appariement spin-triplet plus compétitifs avec leurs homologues spin-singulet.”
Référence : « Résonance des fluctuations de spin antiferromagnétiques pour la supraconductivité dans l’UTe2» Par Chunruo Duan, RE Baumbach, Andrey Podlesnyak, Yuhang Deng, Camilla Moir, Alexander J. Breindel, M. Brian Maple, EM Nica, Qimiao Si et Pengcheng Dai, 22 décembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04151-5
Si est professeur Harry C. et Olga K. Wiess au département de physique et d’astronomie de Rice et directeur du RCQM. Les co-auteurs supplémentaires incluent Andrey Podlesnyak d’Oak Ridge et Yuhang Deng, Camilla Moir et Alexander Breindel de UC San Diego.
La recherche a été financée par le Department of Energy Office of Science’s Office of Basic Energy Science (DE-SC0012311, DE-SC0016568, DE-SC0018197, DEFG02-04-ER46105), la Fondation Robert A. Welch (C-1839, C- 1411), la National Science Foundation (1644779, 1810310, 1607611) et l’État de Floride, l’Université d’État de l’Arizona et le DOE Office of Science User Facility de la source de neutrons de spallation du laboratoire national d’Oak Ridge.
