Un estudio dirigido por la Universidad de Rice está obligando a los físicos a repensar la superconductividad en el ditelururo de uranio, un material de primer nivel en la carrera mundial para crear computadoras cuánticas tolerantes a fallas.
Se cree que los cristales de ditelurida de uranio albergan una rara forma de superconductividad de "triplete de espín", pero los desconcertantes resultados experimentales publicados esta semana en Nature han alterado la explicación principal de cómo podría surgir el estado de la materia en el material. Experimentos de dispersión de neutronespor físicos de Rice, el Laboratorio Nacional Oak Ridge, la Universidad de California, San Diego y el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético de la Universidad Estatal de Florida revelaron signos reveladores de fluctuaciones de espín antiferromagnético que se acoplaron a la superconductividad en el ditelururo de uranio.
La superconductividad de triplete de espín no se ha observado en un material en estado sólido, pero los físicos sospechan desde hace mucho tiempo que surge de un estado ordenado que es ferromagnético. La carrera para encontrar materiales de triplete de espín se ha calentado en los últimos años debido a su potencialpara albergar cuasipartículas esquivas llamadas fermiones de Majorana que podrían usarse para hacer computadoras cuánticas libres de errores.
"La gente ha gastado miles de millones de dólares tratando de buscarlos", dijo el coautor del estudio de Rice, Pengcheng Dai, sobre los fermiones de Majorana, cuasipartículas hipotéticas que podrían usarse para hacer que los bits cuánticos topológicos estén libres de la decoherencia problemática que afecta a los qubits en el cuántico de hoy.ordenadores.
"La promesa es que si tiene un superconductor de triplete de espín, potencialmente se puede usar para hacer qubits topológicos", dijo Dai, profesor de física y astronomía y miembro de la Iniciativa Rice Quantum.eso con superconductores spin-singlete. Por eso, la gente está extremadamente interesada en esto ".
La superconductividad ocurre cuando los electrones forman pares y se mueven como uno, como parejas que giran en una pista de baile. Los electrones se odian entre sí de forma natural, pero su tendencia a evitar otros electrones puede ser superada por su deseo inherente de una existencia de baja energía.permite que los electrones alcancen un estado más parecido a la pereza de lo que podrían lograr por sí mismos, algo que solo es posible a temperaturas extremadamente frías, se pueden convencer en pares.
La persuasión se presenta en forma de fluctuaciones en su entorno físico. En los superconductores normales, como el plomo, las fluctuaciones son vibraciones en la red atómica de los átomos de plomo dentro del cable superconductor. Los físicos aún tienen que identificar las fluctuaciones que provocan la superconductividad no convencional.en materiales como el ditelururo de uranio. Pero décadas de estudio han encontrado cambios de fase momentos decisivos en los que los electrones se reorganizan espontáneamente en los puntos críticos donde comienza el emparejamiento.
En las ecuaciones de la mecánica cuántica, estos arreglos ordenados espontáneos están representados por términos conocidos como parámetros de orden. El nombre triplete de espín se refiere a la ruptura espontánea de tres simetrías en estos arreglos ordenados. Por ejemplo, los electrones giran constantemente, como pequeños imanes de barraUn parámetro de orden se relaciona con su eje de espín piense en el polo norte, que apunta hacia arriba o hacia abajo. El orden ferromagnético es cuando todos los espines apuntan en la misma dirección, y el orden antiferromagnético es cuando se alternan en una disposición de arriba hacia abajo, de arriba hacia abajo.En el único triplete de espín confirmado, el superfluido helio-3, el parámetro de orden tiene no menos de 18 componentes.
"El resto de superconductividad es singlete de spin", dijo Dai, que también es miembro del Centro de Materiales Cuánticos de Rice RCQM. "En un singlete de spin, tienes un spin hacia arriba y otro hacia abajo, y si pones unsobre el terreno, puede destruir fácilmente la superconductividad ".
Eso se debe a que el campo magnético empuja los giros para alinearse en la misma dirección. Cuanto más fuerte es el campo, más fuerte es el empuje.
"El problema con el ditelururo de uranio es que el campo requerido para destruir la superconductividad es de 40 Tesla", dijo Dai. "Eso es enorme. Durante 40 años, la gente pensó que la única posibilidad de que eso ocurriera es que cuando pones un campo, ellos giros ya están alineados en una dirección, lo que significa que es un ferromagnético ".
En el estudio, el asociado de investigación postdoctoral de Dai y Rice, Chunruo Duan, autor principal del estudio, trabajó con el coautor del estado de Florida Ryan Baumbach, cuyo laboratorio cultivó las muestras de cristal único de ditellurida de uranio utilizadas en el experimento, y UC San Diego co-autor Brian Maple, cuyo laboratorio probó y preparó las muestras para experimentos de dispersión de neutrones en la fuente de neutrones de espalación de Oak Ridge.
"Lo que hace el neutrón es entrar con una energía y un impulso particulares, y puede cambiar los giros del par de Cooper de un estado hacia arriba a un estado hacia arriba y hacia abajo", dijo Dai. "Te dice cómo son los paresA partir de esta resonancia de espín de neutrones, básicamente se puede determinar la energía de emparejamiento de electrones "y otras propiedades reveladoras de la función de onda de la mecánica cuántica que describe el par", dijo.
Dai dijo que hay dos posibles explicaciones para el resultado: o la ditelurida de uranio no es un superconductor de triplete de espín, o la superconductividad de triplete de espín surge de las fluctuaciones de espín antiferromagnético de una manera que los físicos no habían imaginado previamente. Dai dijo que décadas de experimentaciónLa evidencia apunta a lo último, pero esto parece violar la sabiduría convencional sobre la superconductividad. Así que Dai se asoció con su colega de Rice, Qimiao Si, un físico teórico que se especializa en fenómenos cuánticos emergentes como la superconductividad no convencional.
Si, un coautor del estudio, ha pasado gran parte de los últimos cinco años mostrando una teoría de emparejamiento multiorbital que desarrolló en conjunto con el ex estudiante de doctorado Emilian Nica, explica los hallazgos experimentales contradictorios en varios tipos de superconductores no convencionales, incluidos los pesadosfermiones, la clase que incluye el ditelururo de uranio.
En el emparejamiento multiorbital, los electrones en algunas capas atómicas tienen más probabilidades de formar pares que en otros. Si recordó haber pensado que el uranio tenía el potencial de aportar electrones emparejados de cualquiera de los siete orbitales con 14 estados posibles.
"Los multiorbitales fue lo primero que me vino a la mente", dijo. "No sería posible si solo tuvieras una banda o un orbital, pero los orbitales aportan una nueva dimensión a los posibles emparejamientos de superconductores no convencionales. Son comouna paleta de colores. Los colores son los números cuánticos internos, y los electrones f en los materiales de fermiones pesados basados en uranio están naturalmente configurados para tener estos colores. Conducen a nuevas posibilidades que van más allá de la 'tabla periódica de emparejamientoafirma. 'Una de estas nuevas posibilidades resulta ser el emparejamiento de tripletes de espín. "
Si y Nica, que ahora está en la Universidad Estatal de Arizona, demostraron que las correlaciones antiferromagnéticas podrían dar lugar a estados de apareamiento de tripletes de espín plausibles y de baja energía.
"Los estados de apareamiento de tripletes de espín son muy improbables en la gran mayoría de los casos porque los pares se formarán como singletes de espín para reducir su energía", dijo Si. "En el ditelururo de uranio, el acoplamiento de espín-órbita puede cambiar el panorama energéticode una manera que hace que los estados de emparejamiento de espín-triplete sean más competitivos con sus contrapartes de espín-singlete ".
Si es el profesor Harry C. y Olga K. Wiess en el Departamento de Física y Astronomía de Rice y director de RCQM. Otros coautores incluyen a Andrey Podlesnyak de Oak Ridge y Yuhang Deng, Camilla Moir y Alexander Breindel de UC San Diego.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía DE-SC0012311, DE-SC0016568, DE-SC0018197, DEFG02-04-ER46105, la Fundación Robert A. Welch C-1839,C-1411, la Fundación Nacional de Ciencias 1644779, 1810310, 1607611 y el estado de Florida, la Universidad Estatal de Arizona y las instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en la fuente de neutrones por espalación del Laboratorio Nacional Oak Ridge.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: el contenido puede editarse por estilo y longitud.
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