Summary
Her presenterer vi en protokoll for å syntetisere to typer UTe2-krystaller : de som viser robust superledningsevne, via kjemisk damptransportsyntese, og de som mangler superledningsevne, via smeltet metallflukssyntese.
Abstract
Enkeltkrystallprøver av aktinidforbindelsen uran ditelluride, UTe2, er av stor betydning for studiet og karakteriseringen av den dramatiske ukonvensjonelle superledningsevnen, antatt å medføre spin-triplet elektronparing. En rekke i de superledende egenskapene til UTe2 rapportert i litteraturen indikerer at uoverensstemmelser mellom syntesemetoder gir krystaller med forskjellige superledende egenskaper, inkludert fraværet av superledningsevne helt. Denne protokollen beskriver en prosess for å syntetisere krystaller som viser superledning via kjemisk damptransport, som konsekvent har vist en superledende kritisk temperatur på 1,6 K og en dobbel overgang som indikerer en rekkefølgeparameter med flere komponenter. Dette sammenlignes med en annen protokoll som brukes til å syntetisere krystaller via smeltede metallfluksvekstteknikk, som produserer prøver som ikke er bulk superledere. Forskjeller i krystallegenskapene avsløres gjennom en sammenligning av strukturelle, kjemiske og elektroniske egenskapsmålinger, som viser at den mest dramatiske forskjellen oppstår i prøvens lave temperatur elektriske motstand.
Introduction
Ved temperaturer som vanligvis er mye lavere enn romtemperaturen, viser mange materialer superledning - den fascinerende makroskopiske kvantetilstanden der den elektriske motstanden blir helt null og elektrisk strøm kan strømme uten spredning. I den typiske superledende fasen, i stedet for å fungere som separate enheter, danner de bestanddelene elektroner Cooper-par, som vanligvis består av to elektroner med motsatte spinn, i en spinn-singlet-konfigurasjon. I svært sjeldne tilfeller kan Imidlertid Cooper-parene i stedet bestå av to elektroner med parallelle spinn, i en spinn-trillingkonfigurasjon. Blant de få tusen superlederne som er oppdaget så langt, er det bare noen få superledere som har blitt identifisert som spinn trillingkandidater. Dette sjeldne kvantefenomenet har tiltrukket seg mye forskningsinteresse fordi spin triplet superledere foreslås å være en potensiell byggestein for kvantedatamaskiner1,2, neste generasjons beregningsteknologi.
Nylig rapporterte Ran og kolleger at UTe2 er en kandidat spinn triplet superleder3. Denne superlederen har mange eksotiske egenskaper som indikerer en spinn-trillingkonfigurasjon: et ekstremt, uforholdsmessig stort, kritisk magnetfelt som kreves for å undertrykke superledningsevnen, et temperaturuavhengig NMR Knight shift3, et spontant magnetisk øyeblikk indikert av den optiske Kerr-effekten4, og en chiral elektronisk overflatetilstand indikert ved skanning av tunneleringsspektroskopi5 . Videre er ytterligere superledende faser faktisk indusert i høyt magnetfelt6, et eksempel på det uvanlige fenomenet reentrant superledningsevne.
Selv om disse nye resultatene er robuste, er de superledende egenskapene til UTe2 avhengig av synteseprosessen som brukes av forskjellige grupper7,8,9. Krystaller av UTe2 syntetisert ved hjelp av den kjemiske damptransportmetoden superleder under en kritisk temperatur på 1,6 K. I motsetning har de som vokser ved hjelp av smeltet fluxmetode en sterkt undertrykt superledende kritisk temperatur eller ikke superleder i det hele tatt. I påvente av applikasjoner som kvantedatabehandling, er det svært ønskelig å skaffe seg krystaller som superleder. Videre er det også veldig nyttig å undersøke hvorfor nominelt lignende krystaller ikke superleder er veldig nyttig for å forstå den grunnleggende superledende sammenkoblingsmekanismen i UTe2, som, mens roman og et tema for intens forskning, må avvike betydelig fra konvensjonelle superledere. Av disse grunnene er de to forskjellige syntesemetodene komplementære og nyttige å sammenligne. I dette dokumentet er to forskjellige metoder for syntese av UTe2 demonstrert og egenskapene til enkeltkrystallene fra de to metodene sammenlignes.
Protocol
1. Fjerne uranoksid fra uranmetallet
- I en avtrekkshette, lag tre beger som inneholder henholdsvis 1 ml salpetersyre, 5 ml destillert vann og 5 ml aceton.
- Bruk en sag eller kuttere, kutt et stykke uranmetall til ønsket masse.
- Bruk pinsett, plasser uran i begeret med salpetersyre. Vent i ca 10 s for at syren skal oppløse den svarte oksiderte overflaten, slik at uranet ser skinnende og metallisk ut.
- Ta ut uranstykket fra syren, skyll det i destillert vann i 5 s, og fjern deretter uranstykket.
- Sett uran i begeret som inneholder aceton i 5 s og fjern det.
- Bestem massen av uran. Uranet er klart for syntese.
2. Kjemisk damptransport
- Vei ut en passende mengde elementær tellurium, avhengig av mengden uran som tidligere ble rengjort, etter et atomforhold mellom uran og tellurium på 2:3.
- Vei ut en passende mengde jod, bestemt av ønsket tetthet på 1 mg / cm3 i volumet av kvartsrøret som skal brukes under syntese. Velg en lengde på røret for å spenne over ovnen, med hver ende sittende i en av temperatursonene. Pass på at diameteren passer godt i ovnen.
MERK: Tidligere rapporterte prøver3 ble laget i et kvartsrør som er 11 cm langt, med en 14 mm indre diameter, slik at den totale massen av jod er ca. 17 mg. - Lukk den ene enden av et sammensmeltet kvartsrør ved hjelp av en lommelykt. En hydrogen-/oksygenfakkel fungerer bra. Bruk en hvilken som helst lommelykt som blir varm nok til å myke opp smeltet kvarts. La røret avkjøles.
- Legg alle materialene i kvartsrøret. Evakuer røret ved hjelp av en tørr vakuumpumpe og forsegle røret med brenneren.
- Sett røret inn i en 2-sone horisontal rørovn. Når du gjør dette, må du sørge for å skyve alle råvarene til den ene siden av røret, som vil være den varme siden.
- Over 12 timer, varme ved konstante hastigheter den varme siden til 1060 °C, og den andre siden til 1000 °C. Hold temperaturene i 1 uke, og slå deretter av ovnen slik at den avkjøles sakte til romtemperatur.
3. Smeltet metallfluksvekst
- Vei ut uran og tellurium i henhold til atomforholdet på 1:3.
- Legg alle materialene i en 2 ml alumina digel. På toppen av denne digelen, plasser en annen 2 ml digel, fylt med kvartsull, vendt nedover.
- Lukk den ene enden av et sammensmeltet kvartsrør ved hjelp av en lommelykt. En hydrogen-/oksygenfakkel fungerer bra. Bruk en lommelykt som blir varm nok til å myke opp den smeltede kvartsen. La røret avkjøles.
- Plasser de to diglene i et kvartsrør med en indre diameter på 14 mm. Bruk en tørr vakuumpumpe til å evakuere røret og deretter forsegle røret med brenneren.
- Sett kvartsrøret i en 50 ml aluminadigel som skal brukes som utvendig beholder for stabilitet. Legg disse i en boksovn.
- Over 12 timer, varm ovnen med konstant hastighet til 1180 °C. Hold temperaturen i 5 timer. Avkjøl ovnen med konstant hastighet til 975 °C i over 100 timer.
- Forbered en sentrifuge med en sving ut rotor og metallbøtter. Ved 975 °C, ta ut røret ved hjelp av ovn tang, inverter det forsiktig, og legg det deretter i sentrifugen. Spinn ved 2500 x g (4000 rpm for disse forseglede kvartsrørenhetene) i 10-20 s, og tvinger det ekstra flytende telluriumet til å skille seg fra UTe2-krystallene og bli fanget i kvartsullen.
- La røret avkjøles til romtemperatur.
4. Åpne rørene og høste krystallene
- Legg kvartsrøret i en forseglet plastpose og legg det på en hard overflate, for eksempel en laboratoriebenk eller en avtrekkshette.
- Bruk en liten hammer eller en annen stump gjenstand, knekk forsiktig og bryt kvartsrøret, helst på enden vekk fra krystallene.
- Åpne plastposen og plukk ut UTe2-krystallene . Utfør denne prosessen innen en time eller så, da UTe2 er luftfølsom og merkbart forringes i løpet av flere timer.
- Skyll krystallene med 2 ml etanol for å fjerne jod.
- Oppbevar UTe2-krystallene under en inert atmosfære, for eksempel inne i en nitrogenhanskeboks.
Representative Results
Begge vekstteknikkene gir krystaller av UTe2 som har dimensjoner på millimeterlengdeskalaen. Krystaller er skinnende, med metallisk glans. Krystallmorfologien er variabel, og intergrowths kan forekomme. Generelt ser kjemisk damptransport og fluksvokste krystaller like ut og kan ikke lett skilles fra visuell inspeksjon, som det fremgår av figur 1.
For å bekrefte krystallstrukturen utføres røntgendiffraksjonsmålinger av pulver vanligvis på knuste enkeltkrystaller av både CVT dyrket og flux dyrket UTe2 enkeltkrystaller ved romtemperatur. Enkeltkrystaller fra begge vekstteknikkene har samme krystallstruktur og er enfasede, uten tegn til urenhetsfaser. Figur 2 viser de innsamlede røntgendiffraksjonsdataene og en forbedring av en kroppssentrert orthorhombic krystallstruktur med romgruppen Immm10.
Temperaturavhengigheten til den elektriske motstanden er en typisk måte å karakterisere metalliske materialer på. Figur 3 sammenligner temperaturavhengigheten til den elektriske motstanden, normalisert med romtemperaturverdien, for prøver av UTe2 syntetisert ved hjelp av kjemiske damptransport- og fluksmetoder. Disse dataene ble samlet inn i et kommersielt kjøleskapssystem ved hjelp av en standard 4-blykonfigurasjon. Over 50 K viser begge prøvene en liten økning av den elektriske motstanden ved kjøling, som er atypisk av metaller. Denne oppførselen er i samsvar med det som skyldes spredning av ledningselektroner av uran atommagnetiske øyeblikk, kjent som den enkle ion Kondo-effekten. Et bredt maksimum ses også i begge prøvene, etterfulgt av en fall i motstanden på grunn av utbruddet av Kondo-sammenheng.
En tydelig forskjell mellom prøvene er at verdien av restmotstanden, eller verdien av motstanden i nulltemperaturgrensen, er dramatisk større i prøven syntetisert av fluxmetoden. Restmotstandsforholdet RRR, eller forholdet mellom motstandsverdien ved romtemperatur og restmotstanden, er ca. 2 for den fluksdyrkede prøven, som er omtrent 15 ganger mindre enn RRR-verdien til den kjemiske damptransportprøven. Den sterkt reduserte RRR i den fluksdyrkede prøven indikerer at det er flere krystallografiske urenheter eller feil i fluksdyrket prøve, som er ansvarlige for sterkere spredning av ledningselektronene, og dermed høyere restmotstand. Disse verdiene samsvarer med tidligere rapporter7.
En mer dramatisk forskjell er at flux-dyrkede prøver ikke superleder. Generelt er tilstedeværelsen av urenheter og feil skadelig for superledning fordi økt spredning svekker elektronparingsinteraksjonen som ligger til grunn for superledningsevne. Effekten av lidelse kan være enda mer uttalt i UTe2, der superledning antas å være av den uvanlige spin triplet-sorten som generelt er mer følsom for parbrudd11,12,13,14,15,16,17,18,19. Effektene av lidelse og kjemi på superledningsevne i UTe2 er fortsatt i de tidlige dager og er for tiden et aktivt studiefelt.
DC magnetisk følsomhet, eller magnetisering normalisert til det påførte feltet, av både flux dyrket og CVT vokst UTe2 ser veldig lik ut. Som vist i figur 4, der dataene ble samlet inn ved 1000 Oe i et kommersielt SQUID-magnetometer, viser den høye temperaturmagnetiske følsomheten en paramagnetisk respons når magnetfeltet påføres langs den krystallografiske a-aksen til prøvene. Ved lave temperaturer øker den magnetiske følsomheten kraftig og viser deretter en liten skråningsendring ved ~ 10 K, sannsynligvis på grunn av Kondo-sammenhengen. Forskjellen mellom de magnetiske følsomhetskurvene til de to prøvene er liten og kan tilskrives en liten prøvefeiljustering, noe som gjør de to prøvene uutslettelige for denne målingen.
Figur 1: Fotografier av enkeltkrystaller av UTe2. (A) flux dyrket og (B-C) CVT vokst. Gitteret er 1 mm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Pulver Xray diffraksjonsdata for CVT dyrket UTe2. Dataene viser den gode kvaliteten på utvalget uten synlige topper fra urenheter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Normaliserte elektriske motstandsdata som temperaturfunksjon for både CVT-dyrket og fluksvokst UTe2. Den fluksdyrkede prøven har en vesentlig større restmotstand, som er en signatur av økt krystallografisk lidelse. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Magnetisk følsomhet, eller magnetisering normalisert til påført magnetfelt, som en funksjon av temperatur for både CVT dyrket og flux dyrket UTe2. Prøvene viser lignende oppførsel, inkludert en karakteristisk knekk på ca. 10 K. Et magnetfelt H = 1000 Oe påføres parallelt med den krystallografiske aaksen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Discussion
For å utføre kjemisk damptransport er det enklest å bruke en to-sone horisontal ovn, som kan generere en temperaturgradient ved å stille inn de to sonene ved forskjellige temperaturer. Vellykket bruk av en en-sone ovn for å vokse superledende prøver er ennå ikke demonstrert. Startmaterialer er forseglet med en hydrogen-oksygen brenner i et smeltet kvartsrør, som må renses for luft. Rensing og tetning kan oppnås ved å koble røret til en manifold festet til en tørr pumpe og en argongassflaske. Når det er forberedt, plasseres dette røret i ovnen slik at to ender av røret spenner over de to temperatursonene. Når det gjelder UTe2, plasseres enden av røret som inneholder startmaterialene i den varme enden. Elementær uran og tellurium reagerer med jod, reiser ned røret som en damp, og til slutt størkner kvartsrøret i form av enkeltkrystaller. Generelt er veksten av store krystaller materialavhengig og kan ta flere uker. For UTe2 er 7 dager nok til å vokse krystaller med mm dimensjoner. Etter veksten fjernes røret fra ovnen og åpnes for å høste krystallene.
Den smeltede metall selvfluksmetoden krever en enkel resistiv boksovn med en temperatursone. Uran oppløses i smeltet tellurium, og løseligheten til UTe2 er avhengig av temperatur. Startmaterialer, elementær uran og tellurium plasseres i en alumina digel. På toppen av denne digelen er en annen digel plassert opp ned, fylt med kvartsull. De to diglene er forseglet i et kvartsrør, som legges i en boksovn. Denne gangen, i stedet for å generere en fast temperaturgradient over en avstand, varierer temperaturen som en funksjon av tid, da ovnen sakte avkjøles med en fast hastighet. Ved høyeste temperatur vil alt uran bli oppløst i flytende tellurium, som har en mye lavere smeltetemperatur enn uran. Etter hvert som ovnen avkjøles, reduseres løseligheten til UTe2 og UTe2 enkeltkrystaller utfelles og blir større. Ved en temperatur som er lav nok til å ha generert tilstrekkelig store UTe2 enkeltkrystaller, men fortsatt høy nok til at telluriumet forblir flytende, fjernes kvartsrøret fra den varme ovnen, plasseres den i en sentrifuge og spunnet, som skiller den faste UTe2 fra væskerøret før det fryser. Deretter får røret avkjøles til romtemperatur, før det brytes for å samle krystallene.
Å jobbe med utarmet uran er en sterkt regulert aktivitet som krever bevissthet om og overholdelse av gjeldende lover. Følg alle lokale sikkerhetsregler for farlige og radioaktive materialer, og sikre nødvendig tillatelse til å utføre dette arbeidet. Disse reglene varierer etter jurisdiksjon og institusjon og kan ikke behandles her. Noen generelle prinsipper gjelder imidlertid som kan hjelpe til med planleggingen av forskning. Forskeren skal være opplært til å arbeide med radioaktive og farlige materialer. Bruk nødvendig personlig verneutstyr, inkludert hansker. Arbeid metodisk og pass på å unngå spredning av radioaktivt materiale. Kast avfall i merkede og godkjente beholdere.
Disclosures
Forfatterne erklærer ingen konkurrerende interesser.
Acknowledgments
Denne forskningen ble støttet av National Institute of Standards and Technology. Deler av syntesen ble støttet av Gordon og Betty Moore Foundations EPiQS Initiative gjennom Grant No. GBMF9071. Deler av karakteriseringen ble støttet av den amerikanske Department of Energy (DOE)-prisen DE-SC0019154. Identifisering av visse kommersielle produkter og firmanavn er ikke ment å innebære anbefaling eller godkjenning av National Institute of Standards and Technology, og det er heller ikke ment å antyde at produktene eller navnene som identifiseres nødvendigvis er de beste tilgjengelige for formålet.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 +- 3.6x10-9 |
References
- Sau, J. D., Tewari, S. Topologically protected surface majorana arcs and bulk weyl fermions in ferromagnetic superconductors. Physical Review B. 86 (10), 104509 (2012).
- Fu, L., Kane, C. L. Superconducting proximity effect and majorana fermions at the surface of a topological insulator. Physical Review Letters. 100 (9), 096407 (2008).
- Ran, S., et al.
- Hayes, I. M., et al.
- Jiao, L., et al. Chiral superconductivity in heavy-fermion metal UTe2. Nature. 579, 523 (2020).
- Ran, S., et al.
- Aoki, D., et al. Unconventional superconductivity in heavy fermion UTe2. Journal of the Physical Society of Japan. 88, 043702 (2019).
- Cairnsm, L. P., Stevensm, C. R., O'Neill, C. D., Huxley, A. Composition dependence of the superconducting properties of UTe2. Journal of Physics. Condensed Matter: An Institute of Physics Journal. 32 (41), 415602 (2020).
- Thomas, S. M., et al. Evidence for a pressure-induced antiferromagnetic quantum critical point in mixed valence UTe2. Science Advances. 6 (42), (2020).
- Hutanu, V., et al. Low-temperature crystal structure of the unconventional spin-triplet superconductor UTe2 from single-crystal neutron diffraction. Acta Crystallographica Section B, Structural Science, Crystal Engineering and Materials. 76, Pt 1 137-143 (2020).
- Sundar, S., et al. Coexistence of ferromagnetic fluctuations and superconductivity in the actinide superconductor UTe2. Physical Review B. 100, 140502 (2019).
- Metz, T., et al. Point-node gap structure of the spin-triplet superconductor UTe2. Physical Review B. 100, 220504 (2019).
- Knebel, G., et al. Field-reentrant superconductivity close to a metamagnetic transition in the heavy-fermion superconductor UTe2. Journal of the Physical Society of Japan. 88, 063707 (2019).
- Braithwaite, D., et al. Multiple superconducting phases in a nearly ferromagnetic system. Communications Physics. 2, 147 (2019).
- Ran, S., et al. Enhancement and reentrance of spin triplet superconductivity in UTe2 under pressure. Physical Review B. 101, 140503 (2020).
- Nakamine, G., et al. Superconducting properties of heavy fermion UTe2 revealed by 125Te-nuclear magnetic resonance. Journal of the Physical Society of Japan. 88, 113703 (2020).
- Miao, L., et al. Low energy band structure and symmetries of UTe2 from angle resolved photoemission spectroscopy. Physical Review Letters. , 124 (2020).
- Lin, W. -C., et al. Tuning magnetic confinement of spin-triplet superconductivity. npj Quantum Materials. 5, 68 (2020).
- Bae, S., et al. Anomalous normal fluid response in a chiral superconductor. arXiv. , (2019).
