כאן, אנו מציגים פרוטוקול לסנתז שני סוגים של גבישי UTe2 : אלה המציגים מוליכות-על חזקה, באמצעות סינתזה של הובלת אדים כימיים, ואלה חסרי מוליכות-על, באמצעות סינתזת שטף מתכת מותכת.
דגימות קריסטל בודדות של דיטלורייד אורניום תרכובת actinide, UTe2, הן בעלות חשיבות רבה למחקר ולאפיון של מוליכות העל הדרמטית והלא קונבנציונלית שלה, ככל הנראה כרוכה זיווג אלקטרונים ספין-שלישייה. מגוון בתכונות מוליכות העל של UTe2 שדווחו בספרות מצביע על כך שסתירות בין שיטות סינתזה מניבות גבישים בעלי תכונות מוליכות-על שונות, כולל היעדר מוליכות-על לחלוטין. פרוטוקול זה מתאר תהליך לסנתז גבישים המציגים מוליכות-על באמצעות הובלת אדים כימית, אשר הציגה בעקביות טמפרטורה קריטית מוליכת-על של 1.6 K ומעבר כפול המעיד על פרמטר סדר מרובה רכיבים. זאת בהשוואה לפרוטוקול שני המשמש לסינתזה של גבישים באמצעות טכניקת הצמיחה של שטף המתכת המותכת, המייצרת דגימות שאינן מוליכי-על בתפזורת. הבדלים במאפייני הגביש מתגלים באמצעות השוואה של מדידות מאפיינים מבניים, כימיים ואלקטרוניים, המראים כי הפער הדרמטי ביותר מתרחש בהתנגדות החשמלית בטמפרטורה נמוכה של הדגימות.
בטמפרטורות שבדרך כלל נמוכות בהרבה מטמפרטורת החדר, חומרים רבים מציגים מוליכות-על – המצב הקוונטי המקרוסקופי המרתק שבו ההתנגדות החשמלית הופכת לאפס לחלוטין והזרם החשמלי יכול לזרום ללא פיזור. בשלב מוליך העל הטיפוסי, במקום לפעול כישויות נפרדות, האלקטרונים המרכיבים יוצרים זוגות קופר, המורכבים בדרך כלל משני אלקטרונים עם ספינים הפוכים, בתצורת ספין סינגל. עם זאת, במקרים נדירים מאוד, זוגות קופר יכולים במקום זאת להיות מורכבים משני אלקטרונים עם ספינים מקבילים, בתצורת שלישיית ספין. בין אלפי מוליכי העל המעטים שהתגלו עד כה, ישנם רק מוליכי-על מעטים שזוהו כמועמדים לשלישיית ספין. תופעה קוונטית נדירה זו משכה עניין מחקרי רב מכיוון שמוליכי-על של ספין שלישייה מוצעים להיות אבן בניין פוטנציאלית אחת עבור מחשבים קוונטיים 1,2, הדור הבא של טכנולוגיית החישוב.
לאחרונה, רן ועמיתיו לעבודה דיווחו כי UTe2 הוא מוליך-על משולש ספין מועמד3. למוליך-על זה יש תכונות אקזוטיות רבות המעידות על תצורת שלישיית ספין: שדה מגנטי קיצוני, גדול באופן לא פרופורציונלי, קריטי הנדרש לדיכוי מוליכות העל, תזוזת אביר NMR עצמאית בטמפרטורה3, רגע מגנטי ספונטני המצוין על ידי אפקט קר האופטי4, ומצב שטח אלקטרוני כיראלי המצוין על ידי סריקת ספקטרוסקופיה מינהור5 . יתר על כן, שלבי מוליך-על נוספים מושרים למעשה בשדה מגנטי גבוה6, דוגמה לתופעה יוצאת דופן של מוליכות-על חוזרת.
למרות תוצאות חדשות אלה הם חזקים, המאפיינים מוליך העל של UTe2 תלויים בתהליך הסינתזה בשימוש על ידי קבוצות שונות7,8,9. גבישים של UTe2 מסונתזים באמצעות שיטת הובלת האדים הכימיים מוליך-על מתחת לטמפרטורה קריטית של 1.6 K. לעומת זאת, אלה הגדלים בשיטת השטף המותך סובלים מטמפרטורה קריטית מוליכת-על מודחקת מאוד או שאינם מוליכים-על כלל. בציפייה ליישומים כגון מחשוב קוונטי, השגת גבישים באופן אמין כי מוליכת-על רצויה מאוד. יתר על כן, חקירת מדוע גבישים דומים מבחינה נומינלית אינם מוליכים-על מועילה מאוד גם להבנת מנגנון השיוך מוליך-העל הבסיסי ב- UTe2, אשר, למרות שהוא חדשני ונושא של מחקר אינטנסיבי, חייב להיות שונה באופן משמעותי מזה של מוליכי-על קונבנציונליים. מסיבות אלה, שתי שיטות סינתזה שונות משלימות ושימושיות להשוואה. במאמר זה, שתי שיטות שונות לסינתזה של UTe2 מודגמות ומאפיינים של גבישים בודדים משתי השיטות משווים.
כדי לבצע הובלת אדים כימית, זה הכי פשוט להשתמש בכבשן אופקי דו-אזורי, אשר יכול ליצור שיפוע טמפרטורה על ידי הגדרת שני האזורים בטמפרטורות שונות. שימוש מוצלח בכבשן של אזור אחד לגידול דגימות מוליכות-על טרם הוכח. חומרי ההתחלה אטומים בלפיד מימן-חמצן בצינור קוורץ מותך, אשר חייב להיות מטוהר מאוויר. ניתן לבצע את הטיהור והאיטום על ידי חיבור הצינור לסעפת המחוברת למשאבה יבשה ובלוני גז ארגון. לאחר שהוכן, צינור זה ממוקם בכבשן כך ששני קצוות של הצינור משתרעים על פני שני אזורי הטמפרטורה. במקרה של UTe2, סוף הצינור המכיל את החומרים ההתחלתיים ממוקם בקצה החם. האורניום והטלוריום היסודיים מגיבים ביוד, נעים במורד הצינור כאדים, ובסופו של דבר מחזקים בקצה הקר את צינור הקוורץ בצורה של גבישים בודדים. בדרך כלל, הצמיחה של גבישים גדולים תלויה בחומר ויכולה להימשך מספר שבועות. עבור UTe2, 7 ימים מספיק כדי לגדל גבישים עם מידות מ”מ. בעקבות הצמיחה, הצינור מוסר מהכבשן ונפתח כדי לקצור את הגבישים.
שיטת השטף העצמי המתכתי המותכת דורשת תנור תיבת התנגדות פשוט עם אזור טמפרטורה אחד. אורניום מתמוסס בטלוריום מותך, והמסיסות של UTe2 תלויה בטמפרטורה. חומרים התחלתיים, אורניום אלמנטרי וטלוריום ממוקמים בכור היתוך אלומינה. על גבי כור ההיתוך הזה, כור היתוך שני מונח הפוך, מלא בצמר קוורץ. שני כור ההיתוך אטומים בצינור קוורץ, אשר לשים בכבשן קופסה. הפעם, במקום ליצור שיפוע טמפרטורה קבוע על פני מרחק, הטמפרטורה מגוונת כפונקציה של זמן, כמו הכבשן מקורר לאט בקצב קבוע. בטמפרטורה הגבוהה ביותר, כל האורניום יומס בטלוריום נוזלי, טמפרטורת ההיתוך שלו נמוכה בהרבה מאורניום. ככל שהכבשן מתקרר, המסיסות של UTe2 פוחתת וגבישים בודדים UTe2 מזרזים וגדלים. בטמפרטורה נמוכה מספיק כדי לייצר גבישים בודדים גדולים מספיק של UTe2 , אך עדיין גבוהים מספיק כדי שהטלוריום יישאר נוזלי, צינור הקוורץ מוסר מהכבשן החם, ממקם אותו לצנטריפוגה ומסובב, המפריד בין UTe2 המוצק לבין הטלוריום הנוזלי לפני שהוא קופא. לאחר מכן, הצינור מותר להתקרר לטמפרטורת החדר, לפני שהוא שבור כדי לאסוף את הגבישים.
עבודה עם אורניום מדולדל היא פעילות מוסדרת בכבדות הדורשת מודעות וציות לחוקים החלים. פעל בהתאם לכל כללי הבטיחות המקומיים של חומרים מסוכנים ורדיואקטיביים, ואבטח את ההרשאה הדרושה לביצוע עבודה זו. כללים אלה משתנים בהתאם לסמכות השיפוט והמוסד ולא ניתן לטפל בהם כאן. עם זאת, כמה עקרונות כלליים חלים שיכולים לעזור בתכנון המחקר. יש להכשיר את החוקרים לעבוד עם חומרים רדיואקטיביים ומסוכנים. ללבוש ציוד מגן אישי הכרחי, כולל כפפות. עבוד בשיטתיות ודאג להימנע מהתפשטות של חומר רדיואקטיבי. להשליך פסולת במיכלים מסומנים ומאושרים.
The authors have nothing to disclose.
מחקר זה נתמך על ידי המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה. חלקים מהסינתזה נתמכו על ידי יוזמת EPiQS של גורדון ובטי מור באמצעות גרנט לא. GBMF9071. חלקים מהאפיון נתמכו על ידי פרס משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) DE-SC0019154. זיהוי של מוצרים מסחריים מסוימים ושמות חברות לא נועד לרמוז על המלצה או תמיכה על ידי המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה, וגם לא נועד לרמוז כי המוצרים או השמות שזוהו הם בהכרח הטובים ביותר הזמינים למטרה.
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 |