Cercetătorii confirmă două tipuri de superconductivitate în ditelurura de uraniu
O echipă de cercetători de la Universitatea Cornell a demonstrat că ditelurura de uraniu (UTe₂) poate prezenta simultan două forme distincte de superconductivitate, ceea ce o plasează în fruntea candidaților pentru materialul considerat „Sfântul Graal” al fizicii cuantice: un superconductor topologic. Rezultatele au fost publicate în revista Nature Physics.
Superconductorii topologici sunt căutați intens la nivel mondial, deoarece ar putea permite progrese majore în calculul cuantic. Până în prezent, niciun material nu a fost demonstrat convingător ca având această proprietate. „Nimeni nu a demonstrat încă în mod convingător un superconductor topologic, dar acum știm că ditelurura de uraniu are cel puțin ingredientele potrivite pentru ca acest lucru să se întâmple”, a declarat Brad Ramshaw, profesor asociat de fizică și director al Laboratorului de Fizică Atomică și Solidă de la Cornell, autorul corespondent al studiului.
Două „arome” ale superconductivității
În ditelurura de uraniu, un tip de superconductivitate apare în condiții normale, la temperaturi extrem de scăzute. Un al doilea tip se manifestă doar în câmpuri magnetice foarte puternice sau sub presiune. Experimentele echipei au reevaluat și corectat diagrama de fază a materialului — harta care arată unde apare superconductivitatea în funcție de temperatură și presiune sau câmp magnetic — și au arătat că există potențialul ca ambele forme să coexiste și să interacționeze.
Ramshaw explică diferența față de alți compuși: „Important la ditelurura de uraniu este că poate arăta două tipuri diferite în același timp.” În mod obișnuit, diversele „arome” ale superconductivității sunt definite de momentul unghiular și orientarea perechilor de electroni. Există și alte materiale care prezintă mai multe tipuri de superconductivitate, dar acestea se schimbă în funcție de câmpul magnetic, nu coexistă.
O hartă rescrisă sub presiune extremă
Cercetătorii au supus materialul unei presiuni de aproximativ 18.000 de livre concentrată pe cinci milimetri — „ca și cum ai echilibra nouă mașini pe degetul mic”, după cum a descris Sahas Kamat, primul autor al studiului și doctorand în cadrul grupului lui Ramshaw. Presiunea a fost fixată la temperatura camerei, după care temperatura a fost coborâtă treptat până la valori între 1 și 2 kelvini.
Ancheta inițială a scos la iveală inconsistențe în cercetările anterioare. „Harta pe care oamenii o aveau în minte despre ce face superconductorul în funcție de temperatură și presiune nu este consecventă cu termodinamica”, a spus Kamat. „Asta m-a deranjat destul de mult.” Deoarece termodinamica este una dintre cele mai solide teorii din știință, echipa a reconstruit harta de la zero, independent de datele anterioare.
Competiție între cele două stări
Noua diagramă de fază arată o zonă de superconductivitate cauzată de frigul extrem, o zonă separată cauzată de presiune — „aroma specială” — și o regiune în care cele două coexistă și interacționează. În această regiune de intersecție, ambele fenomene au loc simultan.
Mai mult, cele două tipuri de superconductivitate se află în competiție: pe măsură ce temperatura scade, unul dintre ele este suprimat de celălalt și dispare. Este un comportament rar, teoretic posibil, dar demostrat experimental pentru prima dată. „Se poate întâmpla aici pentru că un alt superconductor intervine și îl înlătură din cale”, a explicat Kamat.
Aplicațiile cuantice rămân îndepărtate
Deși perspectivele pentru calculul cuantic sunt reale, aplicațiile practice sunt încă la mai mulți pași distanță. Cel puțin o companie de tehnologie a cheltuit miliarde de dolari încercând să realizeze un superconductor topologic, fără succes până în prezent. „Abordarea paralelă este că natura ne-a oferit cel puțin 6.000 de superconductori descoperiți. Unul dintre ei ar putea fi acela”, a spus Ramshaw. „Am stabilit că acesta este cel mai probabil pe care îl avem.”
La studiu au contribuit cercetători de la Universitatea din Maryland, Institutul de Tehnologie Karlsruhe și Institutul Canadian pentru Cercetări Avansate, unde Ramshaw este co-director al programului de materiale cuantice.
