Investigadores de la Universidad de Maryland, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético (NHMFL) y la Universidad de Oxford han observado un fenómeno raro llamado superconductividad reentrante en el material ditelururo de uranio. El descubrimiento promueve el caso de la ditelurida de uranio como un material prometedor para su uso en computadoras cuánticas.

Apodada "superconductividad de Lázaro" por el personaje bíblico que resucitó de entre los muertos, el fenómeno ocurre cuando surge un estado superconductor, romperse, luego reaparece en un material debido a un cambio en un parámetro específico; en este caso, la aplicación de un campo magnético muy fuerte. Los investigadores publicaron sus resultados el 7 de octubre, 2019, en el diario Física de la naturaleza .

Una vez descartado por los físicos por su aparente falta de propiedades físicas interesantes, La ditelurida de uranio está teniendo su propio momento de Lázaro. El estudio actual es el segundo en otros tantos meses (ambos publicados por miembros del mismo equipo de investigación) que demuestra estados de superconductividad inusuales y sorprendentes en el material.

"Este es un superconductor descubierto muy recientemente con una serie de otros comportamientos no convencionales, entonces ya es raro "dijo Nicholas Butch, profesor asistente adjunto de física en la UMD y físico en el Centro de Investigación de Neutrones del NIST. "[La superconductividad de Lázaro] casi con certeza tiene algo que ver con la novedad del material. Hay algo diferente allí".

La investigación anterior, publicado el 16 de agosto de 2019 en la revista Science, describió el estado fundamental raro y exótico conocido como superconductividad de triplete de espines en la ditelurida de uranio. El descubrimiento marcó la primera pista de que la ditelurida de uranio merece una segunda mirada, debido a sus propiedades físicas inusuales y su alto potencial para su uso en computadoras cuánticas.

"De hecho, este es un material extraordinario y nos mantiene muy ocupados, "dijo Johnpierre Paglione, profesor de física en la UMD, el director del Centro de Nanofísica y Materiales Avanzados de la UMD (CNAM; que pronto será rebautizado como Centro de Materiales Cuánticos) y coautor del artículo. "La ditelurida de uranio puede muy bien convertirse en el superconductor de triplete de espín de 'libro de texto' que la gente ha estado buscando durante docenas de años y probablemente tenga más sorpresas guardadas. Podría ser el próximo rutenato de estroncio, otro superconductor de triplete de espín propuesto que ha sido estudió durante más de 25 años ".

La superconductividad es un estado en el que los electrones viajan a través de un material con una eficiencia perfecta. Por el contrario, el cobre, que ocupa el segundo lugar después de la plata en términos de su capacidad para conducir electrones, pierde aproximadamente un 20% de potencia en las líneas de transmisión de larga distancia, a medida que los electrones chocan dentro del material durante el viaje.

La superconductividad de Lázaro es especialmente extraña, porque los campos magnéticos fuertes suelen destruir el estado superconductor en la gran mayoría de los materiales. En ditelurida de uranio, sin embargo, un fuerte campo magnético junto con condiciones experimentales específicas hizo que la superconductividad de Lázaro surgiera no solo una vez, pero dos veces.

Para Butch, Paglione y su equipo, el descubrimiento de esta rara forma de superconductividad en la ditelurida de uranio fue fortuito; el autor principal del estudio, Sheng Ran, investigador asociado del CNAM, sintetizó el cristal accidentalmente mientras intentaba producir otro compuesto a base de uranio. El equipo decidió probar algunos experimentos de todos modos, a pesar de que la investigación previa sobre el compuesto no había arrojado nada inusual.

La curiosidad del equipo pronto se vio recompensada muchas veces. En el artículo anterior de Science, los investigadores informaron que la superconductividad de ditelurida de uranio involucraba configuraciones electrónicas inusuales llamadas tripletes de espín, en el que pares de electrones están alineados en la misma dirección. En la gran mayoría de superconductores, las orientaciones, llamadas espines, de electrones emparejados apuntan en direcciones opuestas. Estos pares se denominan (algo contradictorio) singlets. Los campos magnéticos pueden interrumpir más fácilmente los singletes, matando la superconductividad.

Superconductores de triplete de giro, sin embargo, Puede soportar campos magnéticos mucho más altos. Los primeros hallazgos del equipo los llevaron a NHMFL, donde una combinación única de imanes de campo muy alto, La instrumentación capaz y la experiencia de los residentes permitieron a los investigadores impulsar aún más el ditelururo de uranio.

En el laboratorio el equipo probó el ditelururo de uranio en algunos de los campos magnéticos más altos disponibles. Al exponer el material a campos magnéticos de hasta 65 teslas, más de 30 veces la fuerza de un imán típico de resonancia magnética, el equipo intentó encontrar el límite superior en el que los campos magnéticos aplastaron la superconductividad del material. Butch y su equipo también experimentaron con la orientación del cristal de ditelururo de uranio en varios ángulos diferentes en relación con la dirección del campo magnético.

Aproximadamente a las 16 teslas, el estado superconductor del material cambió abruptamente. Si bien murió en la mayoría de los experimentos, persistió cuando el cristal se alineó en un ángulo muy específico en relación con el campo magnético. Este comportamiento inusual continuó hasta aproximadamente 35 teslas, en cuyo punto toda la superconductividad desapareció y los electrones cambiaron su alineación, entrando en una nueva fase magnética.

A medida que los investigadores aumentaron el campo magnético mientras continuaban experimentando con ángulos, encontraron que una orientación diferente del cristal producía otra fase superconductora que persistía hasta al menos 65 teslas, la máxima intensidad de campo que probó el equipo. Fue un rendimiento récord para un superconductor y marcó la primera vez que se han encontrado dos fases superconductoras inducidas por el campo en el mismo compuesto.

En lugar de matar la superconductividad en el ditelururo de uranio, altos campos magnéticos parecieron estabilizarlo. Si bien aún no está claro exactamente qué está sucediendo a nivel atómico, Butch dijo que la evidencia apunta a un fenómeno fundamentalmente diferente a cualquier cosa que los científicos hayan visto hasta la fecha.

"Voy a arriesgarme y decir que estos probablemente sean diferentes, mecánicamente cuánticos diferentes, de otros superconductores que conocemos, "Butch dijo." Es suficientemente diferente, Creo, esperar que nos lleve un tiempo averiguar qué está pasando ".

Además de su física que desafía las convenciones, La ditelurida de uranio muestra todos los signos de ser un superconductor topológico, al igual que otros superconductores de triplete de espín, Butch agregó. Sus propiedades topológicas sugieren que podría ser un componente particularmente preciso y robusto en las computadoras cuánticas del futuro.

"El descubrimiento de esta superconductividad de Lázaro en campos récord es uno de los descubrimientos más importantes que surgieron de este laboratorio en sus 25 años de historia, ", dijo el director de la NHMFL, Greg Boebinger." No me sorprendería que desentrañar los misterios de la ditelurida de uranio conduzca a manifestaciones aún más extrañas de superconductividad en el futuro ".