Một nghiên cứu do Đại học Rice dẫn đầu đang buộc các nhà vật lý phải suy nghĩ lại về tính siêu dẫn trong uranium ditelluride, một vật liệu hạng A trong cuộc chạy đua trên toàn thế giới để tạo ra máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi.
Các tinh thể uranium ditelluride được cho là có dạng siêu dẫn “spin-triplet” hiếm gặp , nhưng các kết quả thí nghiệm khó hiểu được công bố tuần này trên tạp chí Nature đã lật tẩy lời giải thích hàng đầu về việc trạng thái vật chất có thể hình thành trong vật liệu như thế nào . Các thí nghiệm tán xạ neutron của các nhà vật lý từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Rice, Oak Ridge, Đại học California, San Diego và Phòng thí nghiệm Từ trường Cao Quốc gia tại Đại học Bang Florida đã cho thấy những dấu hiệu đáng kinh ngạc về dao động spin phản sắt từ liên quan đến hiện tượng siêu dẫn trong uranium ditelluride.
Hiện tượng siêu dẫn spin-bat chưa được quan sát thấy trong vật liệu ở trạng thái rắn, nhưng các nhà vật lý từ lâu đã nghi ngờ nó phát sinh từ một trạng thái có trật tự là sắt từ. Cuộc chạy đua tìm kiếm vật liệu spin-triplet đã nóng lên trong những năm gần đây do tiềm năng chứa các quasiparte khó nắm bắt được gọi là các fermion Majorana có thể được sử dụng để tạo ra các máy tính lượng tử không có lỗi.
“Mọi người đã chi hàng tỷ USD để cố gắng tìm kiếm chúng”, Pengcheng Dai, đồng tác giả nghiên cứu của Rice, nói về các fermion Majorana, các quasiparte giả thuyết có thể được sử dụng để tạo ra các bit lượng tử tôpô không bị mất liên kết có vấn đề gây ra các qubit trong các máy tính lượng tử ngày nay .
Dai, giáo sư vật lý và thiên văn học, đồng thời là thành viên của Rice Quantum Initiative, cho biết: “Lời hứa là nếu bạn có một chất siêu dẫn spin-bat, nó có thể được sử dụng để tạo ra các qubit topo. “Bạn không thể làm điều đó với chất siêu dẫn spin-singlet. Vì vậy, đó là lý do tại sao mọi người cực kỳ quan tâm đến điều này.”
Hiện tượng siêu dẫn xảy ra khi các electron tạo thành từng cặp và chuyển động làm một, giống như các cặp đôi quay trên sàn nhảy. Các electron tự nhiên không ưa nhau, nhưng xu hướng tránh các electron khác của chúng có thể bị khắc phục bởi mong muốn cố hữu của chúng về sự tồn tại năng lượng thấp. Nếu việc ghép đôi cho phép các electron đạt được trạng thái giống như con lười hơn là chúng có thể tự đạt được — điều mà chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ cực lạnh — thì chúng có thể được ghép thành từng cặp.
Sự dỗ dành xuất hiện dưới dạng các biến động trong môi trường vật chất của chúng. Trong các chất siêu dẫn bình thường, như chì, dao động là dao động trong mạng tinh thể nguyên tử của các nguyên tử chì bên trong dây siêu dẫn. Các nhà vật lý vẫn chưa xác định được những dao động gây ra hiện tượng siêu dẫn khác thường trong các vật liệu như uranium ditelluride. Nhưng nhiều thập kỷ nghiên cứu đã phát hiện ra những thay đổi về pha — những khoảnh khắc đầu nguồn trong đó các điện tử tự sắp xếp lại một cách tự nhiên — tại những điểm quan trọng nơi bắt đầu kết đôi.
Trong các phương trình của cơ học lượng tử, các sắp xếp có trật tự tự phát này được biểu diễn bằng các thuật ngữ được gọi là tham số thứ tự. Tên gọi bộ ba spin đề cập đến sự phá vỡ tự phát của ba đối xứng trong các sắp xếp có trật tự này. Ví dụ, các điện tử quay liên tục, giống như nam châm thanh cực nhỏ. Một tham số thứ tự liên quan đến trục quay của chúng (nghĩ là cực bắc), hướng lên hoặc xuống. Thứ tự sắt từ là khi tất cả các spin hướng theo cùng một hướng và thứ tự phản sắt từ là khi chúng luân phiên theo một cách sắp xếp lên xuống. Trong spin-triplet , helium-3 siêu lỏng duy nhất được xác nhận , tham số thứ tự có không ít hơn 18 thành phần.
Dai, người cũng là thành viên của Trung tâm Vật liệu Lượng tử (RCQM) của Rice, cho biết: “Tất cả các hiện tượng siêu dẫn khác đều là spin singlet. “Trong một đĩa đơn quay, bạn có một vòng quay lên và một vòng quay xuống, và nếu bạn đặt một từ trường vào, nó có thể dễ dàng phá hủy hiện tượng siêu dẫn.”
Đó là bởi vì từ trường đẩy các spin chuyển động theo cùng một hướng. Trường càng mạnh thì lực đẩy càng mạnh.
Các nhà vật lý của Đại học Rice (từ trái sang) Pengcheng Dai, Chunruo Duan và Qimiao Si đồng tác giả một nghiên cứu đã tiết lộ kết quả khó hiểu về uranium ditelluride, một vật liệu từ lâu được nghi ngờ có chứa dạng siêu dẫn “spin-triplet” hiếm gặp. Tín dụng: Jeff Fitlow / Đại học Rice
Dai cho biết: “Vấn đề với uranium ditelluride là trường cần thiết để phá hủy tính siêu dẫn là 40 Tesla. “Điều đó rất lớn. Trong 40 năm, mọi người nghĩ rằng khả năng duy nhất để điều đó xảy ra là khi bạn đặt một trường vào, các vòng quay đã được căn chỉnh theo một hướng, nghĩa là đó là một nam châm.”
Trong nghiên cứu, cộng sự nghiên cứu sau tiến sĩ của Dai và Rice, Chunruo Duan, tác giả chính của nghiên cứu, đã làm việc với đồng tác giả Ryan Baumbach ở bang Florida, người có phòng thí nghiệm đã phát triển các mẫu đơn tinh thể của uranium ditelluride được sử dụng trong thí nghiệm và đồng tác giả UC San Diego Brian Maple, người có phòng thí nghiệm đã kiểm tra và chuẩn bị các mẫu cho các thí nghiệm tán xạ neutron tại Nguồn Spallation Neutron của Oak Ridge.
Dai cho biết: “Những gì nơtron làm là mang theo một năng lượng và động lượng cụ thể, và nó có thể làm cho cặp Cooper quay từ trạng thái đi lên sang trạng thái đi xuống,” Dai nói. Ông nói: “Nó cho bạn biết các cặp được hình thành như thế nào. Từ sự cộng hưởng spin của nơtron này, về cơ bản người ta có thể xác định năng lượng ghép đôi của electron” và các đặc tính đáng kể khác của hàm sóng cơ lượng tử mô tả cặp, ông nói.
Dai cho biết có hai cách giải thích cho kết quả: hoặc uranium ditelluride không phải là chất siêu dẫn spin-ba, hoặc siêu dẫn spin-triplet phát sinh từ các dao động spin phản sắt từ theo cách mà các nhà vật lý trước đây chưa hình dung ra. Dai cho biết hàng thập kỷ bằng chứng thực nghiệm chỉ ra cái sau , nhưng điều này dường như vi phạm sự hiểu biết thông thường về hiện tượng siêu dẫn. Vì vậy, Dai đã hợp tác với đồng nghiệp của Rice, Qimiao Si, một nhà vật lý lý thuyết chuyên nghiên cứu các hiện tượng lượng tử mới nổi như hiện tượng siêu dẫn không bình thường.
Si, một đồng tác giả của nghiên cứu, đã dành phần lớn thời gian trong 5 năm qua để đưa ra lý thuyết về sự ghép nối đa quỹ đạo mà ông đã đồng phát triển với cựu Tiến sĩ. sinh viên Emilian Nica giải thích những phát hiện thực nghiệm mâu thuẫn trong một số loại chất siêu dẫn khác thường, bao gồm các fermion nặng, lớp bao gồm uranium ditelluride.
Trong sự kết cặp đa quỹ đạo, các electron trong một số lớp vỏ nguyên tử có nhiều khả năng tạo thành cặp hơn những lớp khác. Si nhớ lại khi nghĩ rằng uranium có tiềm năng đóng góp các electron ghép đôi từ bất kỳ bảy obitan nào với 14 trạng thái khả dĩ.
Ông nói: “Đa nợ là điều đầu tiên nghĩ đến. “Sẽ không thể xảy ra nếu bạn chỉ có một dải hoặc một quỹ đạo, nhưng các quỹ đạo mang lại một chiều hướng mới cho các cặp siêu dẫn độc đáo có thể có. Chúng giống như một bảng màu. Màu sắc là các số lượng tử bên trong và các electron f trong các vật liệu fermion nặng, dựa trên uranium được thiết lập tự nhiên để có những màu này. Chúng dẫn đến những khả năng mới vượt ra ngoài ‘bảng tuần hoàn các trạng thái ghép nối’. Một trong những khả năng mới này hóa ra là ghép nối ba vòng. “
Si và Nica, hiện đang làm việc tại Đại học Bang Arizona, đã chỉ ra các mối tương quan phản sắt từ có thể làm phát sinh các trạng thái ghép nối bộ ba spin hợp lý, năng lượng thấp.
“Các trạng thái kết đôi spin-bộ ba rất khó xảy ra trong phần lớn các trường hợp vì các cặp sẽ hình thành như spin-singlets để giảm năng lượng của chúng,” Si nói. “Trong uranium ditelluride, kết hợp quỹ đạo spin có thể thay đổi cảnh quan năng lượng theo cách làm cho các trạng thái ghép đôi spin-bộ ba cạnh tranh hơn với các đối tác spin-singlet của chúng.”
Si là Harry C. và Olga K. Wiess Giáo sư tại Khoa Vật lý và Thiên văn học của Rice và là giám đốc của RCQM. Các đồng tác giả khác bao gồm Andrey Podlesnyak của Oak Ridge và Yuhang Deng, Camilla Moir và Alexander Breindel của UC San Diego.
Theo: Phys.
