Desde que se descubrió que era un superconductor hace unos cinco años, el ditelluuro de uranio ha generado mucho revuelo en la comunidad de materiales cuánticos, y mucha confusión, con más de una docena de teorías sobre la verdadera naturaleza de sus propiedades superconductoras. Algunos sugirieron posibilidades valiosas para la computación cuántica.

En un experimento, Brad Ramshaw, profesor asociado de física en la Facultad de Artes y Ciencias (A&S) y sus colegas utilizaron ultrasonido para recopilar evidencia directa de que el ditelluuro de uranio tiene un parámetro de orden superconductor de un solo componente, descartando un tipo más exótico de superconductor. Esa habría sido una noticia emocionante para la computación cuántica. Pero establecer una base de datos para la superconductividad intrínseca del material aún deja la puerta abierta para descubrir posibilidades complejas adicionales mediante estudios adicionales.

El experimento establece que los recientes desarrollos técnicos en el laboratorio de Ramshaw hacen que el ultrasonido de pulso-eco, que utiliza pulsos de sonido para examinar la rigidez mecánica de los materiales cuánticos, sea una técnica confiable y deseable para examinar materiales superconductores.

El informe de investigación, titulado "Superconductividad de un solo componente en UTe₂ a presión ambiental", se publica en Nature Physics . Ramshaw es autor correspondiente y el estudiante de doctorado Florian Theuss es el primer autor. El estudiante de doctorado Avi Shragai y el ex investigador postdoctoral Gael Grissonnanche, ahora docente del Institut Polytechnique de París, contribuyeron, junto con colaboradores de la Universidad de Maryland y la Universidad de Wisconsin, Milwaukee.

"Todos los superconductores tienen resistencia cero, pero en un nivel más sutil, hay diferentes tipos de superconductores", dijo Ramshaw. "Los investigadores están interesados ​​en encontrar estos diferentes sabores porque, uno, ni siquiera sabemos si existen, aunque en teoría sabemos que pueden existir. Y dos, pueden usarse en tecnologías como la computación cuántica. Se necesitan nuevos tipos de superconductores para nuevas tecnologías."

Una extraña combinación de propiedades en el ditelururo de uranio sugirió en un principio que podría tratarse de este nuevo tipo de superconductor. Su temperatura crítica (qué frío debe alcanzar antes de pasar a un estado superconductor) es relativamente baja, alrededor de 2 Kelvin. Pero su baja temperatura crítica se combina con un campo crítico muy alto:la medida de cuánto campo magnético puede soportar antes de que colapse el estado superconductor.

"Normalmente esperaríamos que resistiera uno o dos teslas, pero puede soportar alrededor de 60", dijo Ramshaw. "Es casi 100 veces más fuerte que cualquier campo magnético que puedas encontrar en la vida cotidiana. Eso nos dice que hay algo extraño, que tal vez sea uno de esos nuevos tipos de superconductividad".

Ramshaw y sus colaboradores querían descubrir si el material tiene, como habían predicho algunas teorías y experimentos existentes, un parámetro de orden superconductor multicomponente, lo que implica efectos exóticos; o parámetro de orden de un solo componente, todavía potencialmente exótico pero mucho más restringido.

Theuss dirigió un experimento utilizando ultrasonido de pulso-eco en una muestra de 1 milímetro por 1 milímetro para descubrir la interacción entre la estructura y la superconductividad en el ditelururo de uranio. La técnica mide la velocidad de un pulso de sonido que se mueve a través de un material, el mismo principio que la ecografía médica. La diferencia es que en lugar de producir imágenes, los investigadores midieron la velocidad del sonido para detectar el cambio en la rigidez del material a medida que se enfriaba hasta alcanzar la temperatura crítica y superarla.

"Podemos medir la distancia entre los ecos del sonido con una precisión fenomenal. Ese es el verdadero poder del experimento", afirmó Ramshaw.

Pequeños parlantes (transductores) conectados a la muestra bombearon un pulso de sonido directamente en el material en tres direcciones diferentes, midiendo tres ondas de compresión y tres ondas de corte:las vibraciones de lado a lado solo están presentes en los sólidos.

A la temperatura crítica, las ondas de compresión mostraron una caída repentina donde la velocidad del sonido cayó en picado, como se esperaba para todos los superconductores. Sin embargo, las ondas de corte no mostraron tal caída.

"Si se tratara de uno de los tipos exóticos de superconductividad que la gente propone, estas ondas de corte también habrían tenido una caída", dijo Ramshaw.

Los investigadores proporcionan evidencia directa de que este material tiene un parámetro de orden de un solo componente. Esta conclusión, sin embargo, no calma el entusiasmo por la superconductividad en el ditelluuro de uranio, que tiene muchos aspectos interesantes que merecen un estudio más profundo, incluida su extraordinariamente fuerte repulsión al magnetismo.

La aplicación de presión o campos magnéticos por debajo de la temperatura crítica podría cambiar el tipo de superconductividad, tal vez incluso creando la elusiva superconductividad de triplete de espín de dos componentes, dijo Ramshaw. El estudio actual proporciona un punto de partida basado en datos.

"Definitivamente hay más por venir en este material. Apenas hemos comenzado", dijo Theuss, quien ha trabajado con ditelluuro de uranio durante gran parte de su doctorado. candidatura. "Pero si quieres explicar estas cosas complicadas, tienes que empezar por los hechos intrínsecos básicos de la superconductividad en UTe₂ ."