Aqui, apresentamos um protocolo para sintetizar dois tipos de cristais UTe2 : aqueles que exibem supercondutividade robusta, através da síntese de transporte de vapor químico, e aqueles que carecem de supercondutividade, via síntese de fluxo metálico derretido.
Os espécimes de cristal único do ditelluride composto de actinídeo, UTe2, são de grande importância para o estudo e caracterização de sua supercondutividade dramática não convencional, acredita-se que acarrete o emparelhamento de elétrons spin-triplet. Uma variedade nas propriedades supercondutoras do UTe2 relatadas na literatura indica que as discrepâncias entre os métodos de síntese produzem cristais com diferentes propriedades supercondutoras, incluindo a ausência de supercondutividade inteiramente. Este protocolo descreve um processo para sintetizar cristais que exibem supercondutividade através do transporte de vapor químico, que tem consistentemente exibido uma temperatura crítica supercondutora de 1,6 K e um indicativo de transição dupla de um parâmetro de ordem multicompontado. Isso é comparado a um segundo protocolo que é usado para sintetizar cristais através da técnica de crescimento do fluxo de metal derretido, que produz amostras que não são supercondutores a granel. As diferenças nas propriedades cristalinas são reveladas através de uma comparação das medições estruturais, químicas e de propriedades eletrônicas, mostrando que a disparidade mais dramática ocorre na resistência elétrica de baixa temperatura das amostras.
Em temperaturas tipicamente muito mais baixas do que a temperatura ambiente, muitos materiais exibem supercondutividade – o fascinante estado quântico macroscópico no qual a resistência elétrica se torna absolutamente zero e a corrente elétrica pode fluir sem dissipação. Na fase típica de supercondutores, em vez de agir como entidades separadas, os elétrons constituintes formam pares de Cooper, que são comumente compostos de dois elétrons com giros opostos, em uma configuração de singlet de spin. No entanto, em casos muito raros, os pares Cooper podem, em vez disso, ser compostos de dois elétrons com giros paralelos, em uma configuração de spin triplet. Entre os poucos milhares de supercondutores descobertos até agora, há apenas alguns supercondutores que foram identificados como candidatos a spin triplet. Este raro fenômeno quântico tem atraído muito interesse de pesquisa porque os supercondutores spin triplet são propostos para ser um potencial bloco de construção para computadores quânticos1,2, a próxima geração de tecnologia de computação.
Recentemente, Ran e colegas de trabalho relataram que ute2 é um candidato spin triplet superconductor3. Este supercondutor tem muitas propriedades exóticas indicativas de uma configuração de trigêmeos de spin: um campo magnético extremo, desproporcionalmente grande e crítico necessário para suprimir a supercondutividade, um NMR Knight shift3 independente da temperatura, um momento magnético espontâneo indicado pelo efeito Kerr óptico4, e um estado de superfície eletrônica quiral indicado pela espectroscopia de túnel de varredura5 . Além disso, fases adicionais de supercondutores são na verdade induzidas em alto campo magnético6, um exemplo do fenômeno incomum da supercondutividade reentrante.
Embora esses novos resultados sejam robustos, as propriedades supercondutoras do UTe2 dependem do processo de síntese utilizado por diferentes grupos7,8,9. Cristais de UTe2 sintetizados usando o método de transporte de vapor químico supercondutor abaixo de uma temperatura crítica de 1,6 K. Em contraste, aqueles cultivados usando o método de fluxo derretido têm uma temperatura crítica supercondutora muito suprimida ou não supercondutores. Na antecipação de aplicações como a computação quântica, a obtenção confiável de cristais que supercondutores é altamente desejável. Além disso, investigar por que cristais nominalmente semelhantes não supercondutores também é muito útil para entender o mecanismo de emparelhamento de supercondutores fundamentais em UTe2, que, embora novo e um tema de pesquisa intensa, deve diferir significativamente do dos supercondutores convencionais. Por essas razões, os dois métodos de síntese diferentes são complementares e úteis para comparar. Neste artigo, dois métodos diferentes para síntese de UTe2 são demonstrados e as propriedades dos cristais únicos dos dois métodos são comparadas.
Para realizar o transporte de vapor químico, é mais simples utilizar um forno horizontal de duas zonas, que pode gerar um gradiente de temperatura, definindo as duas zonas em temperaturas diferentes. O uso bem sucedido de um forno de uma zona para cultivar amostras supercondutoras ainda não foi demonstrado. Os materiais iniciais são selados com uma tocha de oxigênio de hidrogênio em um tubo de quartzo fundido, que deve ser expurgado de ar. A purga e a vedação podem ser realizadas conectando o tubo a um coletor ligado a uma bomba seca e um cilindro de gás argônio. Uma vez preparado, este tubo é colocado no forno de tal forma que duas extremidades do tubo abrangem as duas zonas de temperatura. No caso do UTe2, a extremidade do tubo contendo os materiais de partida é colocada na extremidade quente. O urânio elementar e o telúrio reagem com iodo, viajam pelo tubo como vapor, e eventualmente solidificam na extremidade fria o tubo de quartzo na forma de cristais únicos. Geralmente, o crescimento de cristais grandes é dependente de materiais e pode levar várias semanas. Para ute2, 7 dias é suficiente para cultivar cristais com dimensões mm. Após o crescimento, o tubo é removido do forno e aberto para colher os cristais.
O método de auto-fluxo metálico derretido requer um forno de caixa resistiva simples com uma zona de temperatura. O urânio dissolve-se em telúrio derretido, e a solubilidade do UTe2 depende da temperatura. Materiais iniciais, urânio elementar e telúrio, são colocados em um cadinho de alumina. Além deste cadinho, um segundo cadinho é colocado de cabeça para baixo, cheio de lã de quartzo. Os dois cadinhos são selados em um tubo de quartzo, que é colocado em um forno de caixa. Desta vez, em vez de gerar um gradiente de temperatura fixa à distância, a temperatura é variada em função do tempo, pois o forno é lentamente resfriado a uma taxa fixa. Na temperatura mais alta, todo o urânio será dissolvido em telúrio líquido, que tem uma temperatura de fusão muito menor do que o urânio. À medida que o forno esfria, a solubilidade do UTe2 diminui e os cristais únicos UTe2 precipitam e ficam maiores. A uma temperatura que é baixa o suficiente para ter gerado cristais únicos UTe2 suficientemente grandes, mas ainda alto o suficiente para o telúrio permanecer líquido, o tubo de quartzo é removido do forno quente, colocado em uma centrífuga e girado, que separa o UTe2 sólido do telúrio líquido antes de congelar. Depois disso, o tubo pode esfriar até a temperatura ambiente, antes de ser quebrado para coletar os cristais.
Trabalhar com urânio empobrecido é uma atividade fortemente regulamentada que requer consciência e cumprimento das leis aplicáveis. Siga todas as regras locais de segurança de materiais perigosos e radioativos aplicáveis e garanta a permissão necessária para realizar este trabalho. Essas regras variam de acordo com a jurisdição e instituição e não podem ser tratadas aqui. No entanto, alguns princípios gerais se aplicam que podem ajudar no planejamento da pesquisa. Os pesquisadores devem ser treinados para trabalhar com materiais radioativos e perigosos. Use equipamentos de proteção pessoal necessários, incluindo luvas. Trabalhe metodicamente e tome cuidado para evitar a disseminação de material radioativo. Descarte resíduos em recipientes rotulados e aprovados.
The authors have nothing to disclose.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. Partes da síntese foram apoiadas pela Iniciativa EPiQS da Fundação Gordon e Betty Moore através do Grant No. GBMF9071. Partes da caracterização foram apoiadas pelo prêmio de DE-SC0019154 do Departamento de Energia dos EUA (DOE). A identificação de determinados produtos comerciais e nomes de empresas não se destina a implicar recomendação ou endosso do Instituto Nacional de Normas e Tecnologia, nem se pretende implicar que os produtos ou nomes identificados são necessariamente os melhores disponíveis para o efeito.
2-zone tube furnace | MTI Corporation | OTF-1200X-S-II-25-110 | |
Alumina crucible | Coorstek Inc. | 65530-CN-2-AD-998 | Size = 2 mL |
Box furnace | MTI Corporation | KSL-1500X | |
Centrifuge | Thermo Scientific | Mo/No: CL2, S/N:42618752 | |
Fused quartz tube | Quartz Scientific | 100014B | 14 mm ID, 16 mm OD, 48" length |
Iodine | J. T. Baker Inc. | 2208-04 | Sublimed, 99.997% pure, typically approximately 14 mg |
Tellurium | Alfa Aesar | 42213 | 99.9999% pure, Typically approximately 0.5 g |
Uranium | Dept. of Energy (NBL) | CRM115 | Uranium (Depleted U238) Metal (0.99977 g U/g). Typically approximately 0.5 g 235U/238U = 0 +- 3.6×10-9 |