هنا ، نقدم بروتوكولا لتوليف نوعين من بلورات UTe2: تلك التي تظهر الموصلية الفائقة القوية ، عن طريق تخليق نقل البخار الكيميائي ، وتلك التي تفتقر إلى الموصلية الفائقة ، عن طريق تخليق تدفق المعادن المنصهرة.
تعتبر العينات البلورية المفردة من مركب الأكتينيد ثنائي تيلوريد اليورانيوم ، UTe2 ، ذات أهمية كبيرة لدراسة وتوصيف الموصلية الفائقة غير التقليدية الدراماتيكية ، والتي يعتقد أنها تنطوي على اقتران الإلكترون الثلاثي المغزلي. تشير مجموعة متنوعة من الخصائص فائقة التوصيل ل UTe2 المبلغ عنها في الأدبيات إلى أن التناقضات بين طرق التوليف تنتج بلورات ذات خصائص فائقة التوصيل مختلفة ، بما في ذلك عدم وجود الموصلية الفائقة تماما. يصف هذا البروتوكول عملية لتوليف البلورات التي تظهر الموصلية الفائقة عبر نقل البخار الكيميائي ، والتي أظهرت باستمرار درجة حرارة حرجة فائقة التوصيل تبلغ 1.6 كلفن وانتقالا مزدوجا يدل على معلمة ترتيب متعددة المكونات. ويقارن ذلك ببروتوكول ثان يستخدم لتوليف البلورات عبر تقنية نمو تدفق المعادن المنصهرة، والتي تنتج عينات ليست من الموصلات الفائقة السائبة. يتم الكشف عن الاختلافات في خصائص البلورات من خلال مقارنة قياسات الخصائص الهيكلية والكيميائية والإلكترونية ، مما يدل على أن التباين الأكثر دراماتيكية يحدث في المقاومة الكهربائية منخفضة الحرارة للعينات.
في درجات حرارة عادة ما تكون أقل بكثير من درجة حرارة الغرفة ، تظهر العديد من المواد الموصلية الفائقة – الحالة الكمومية العيانية الرائعة التي تصبح فيها المقاومة الكهربائية صفرا تماما ويمكن أن يتدفق التيار الكهربائي دون تبديد. في مرحلة التوصيل الفائق النموذجية ، بدلا من العمل ككيانات منفصلة ، تشكل الإلكترونات المكونة أزواج كوبر ، والتي تتكون عادة من إلكترونين مع دوران متعاكس ، في تكوين مفرد مدور. ومع ذلك ، في حالات نادرة جدا ، يمكن أن تتكون أزواج كوبر بدلا من ذلك من إلكترونين مع دوران متوازي ، في تكوين ثلاثي الدوران. من بين بضعة آلاف من الموصلات الفائقة المكتشفة حتى الآن ، لا يوجد سوى عدد قليل من الموصلات الفائقة التي تم تحديدها على أنها مرشحة ثلاثية الدوران. وقد اجتذبت هذه الظاهرة الكمومية النادرة الكثير من الاهتمام البحثي لأن الموصلات الفائقة الثلاثية المغزلية يقترح أن تكون إحدى اللبنات المحتملة للحواسيب الكمومية1،2، الجيل التالي من تكنولوجيا الحوسبة.
في الآونة الأخيرة ، أفاد ران وزملاؤه في العمل أن UTe2 هو مرشح لثلاثة موصلات فائقة الدوران 3. يحتوي هذا الموصل الفائق على العديد من الخصائص الغريبة التي تشير إلى تكوين ثلاثي الدوران: مجال مغناطيسي حرج متطرف وكبير بشكل غير متناسب مطلوب لقمع الموصلية الفائقة ، وتحول NMR Knight المستقل عن درجة الحرارة 3 ، وعزم مغناطيسي تلقائي يشير إليه تأثير Kerr البصري4 ، وحالة سطح إلكتروني دائري يشار إليها بواسطة المسح الطيفي النفقي5 . وعلاوة على ذلك، فإن مراحل إضافية فائقة التوصيل يتم تحريضها في الواقع في مجال مغناطيسي عالي6، وهو مثال على الظاهرة غير العادية للتوصيل الفائق المتجدد.
على الرغم من أن هذه النتائج الجديدة قوية ، إلا أن خصائص التوصيل الفائق ل UTe2 تعتمد على عملية التوليف المستخدمة من قبل مجموعات مختلفة7,8,9. بلورات UTe2 التي تم تصنيعها باستخدام طريقة نقل البخار الكيميائي فائقة التوصيل تحت درجة حرارة حرجة تبلغ 1.6 كلفن. في المقابل ، فإن تلك التي تزرع باستخدام طريقة التدفق المنصهر لديها درجة حرارة حرجة فائقة التوصيل مكبوتة بشكل كبير أو لا تفرط في التوصيل على الإطلاق. تحسبا لتطبيقات مثل الحوسبة الكمومية ، فإن الحصول على بلورات موثوقة ذات سلوك فائق أمر مرغوب فيه للغاية. علاوة على ذلك ، فإن التحقيق في سبب عدم قيام البلورات المتشابهة اسميا بالسلوك الفائق مفيد جدا أيضا لفهم آلية الاقتران الأساسية فائقة التوصيل في UTe2 ، والتي ، على الرغم من أنها جديدة وموضوع بحث مكثف ، يجب أن تختلف اختلافا كبيرا عن تلك الموجودة في الموصلات الفائقة التقليدية. لهذه الأسباب ، فإن طريقتي التوليف المختلفتين متكاملتان ومفيدتان للمقارنة. في هذه الورقة ، يتم عرض طريقتين مختلفتين لتوليف UTe2 ومقارنة خصائص البلورات المفردة من الطريقتين.
لإجراء نقل البخار الكيميائي ، من الأسهل استخدام فرن أفقي من منطقتين ، والذي يمكن أن يولد تدرج درجة الحرارة عن طريق ضبط المنطقتين على درجات حرارة مختلفة. لم يتم بعد إثبات الاستخدام الناجح لفرن منطقة واحدة لزراعة عينات فائقة التوصيل. يتم ختم المواد الأولية بشعلة الهيدروجين والأكسجين في أنبوب كوارتز منصهر ، والذي يجب تطهيره من الهواء. يمكن إنجاز التطهير والختم عن طريق توصيل الأنبوب بمشعب متصل بمضخة جافة واسطوانة غاز الأرجون. بمجرد إعداده ، يتم وضع هذا الأنبوب في الفرن بحيث يمتد طرفان من الأنبوب على منطقتي درجة الحرارة. في حالة UTe2 ، يتم وضع نهاية الأنبوب الذي يحتوي على مواد البداية في النهاية الساخنة. يتفاعل اليورانيوم الأولي والتيلوريوم مع اليود ، ويسافران إلى أسفل الأنبوب كبخار ، وفي النهاية يصلدان في النهاية الباردة أنبوب الكوارتز في شكل بلورات مفردة. بشكل عام ، يعتمد نمو البلورات الكبيرة على المواد ويمكن أن يستغرق عدة أسابيع. بالنسبة ل UTe2 ، 7 أيام كافية لزراعة البلورات بأبعاد مم. بعد النمو ، تتم إزالة الأنبوب من الفرن وفتحه لحصاد البلورات.
تتطلب طريقة التدفق الذاتي للمعادن المنصهرة فرن صندوقي مقاوم بسيط مع منطقة درجة حرارة واحدة. يذوب اليورانيوم في التيلوريوم المنصهر ، وتعتمد قابلية ذوبان UTe2 على درجة الحرارة. يتم وضع المواد الأولية ، اليورانيوم الأولي ، والتيلوريوم ، في بوتقة الألومينا. فوق هذه البوتقة ، يتم وضع بوتقة ثانية رأسا على عقب ، مليئة بصوف الكوارتز. يتم ختم البوتقتين في أنبوب كوارتز ، يتم وضعه في فرن صندوقي. هذه المرة ، بدلا من توليد تدرج ثابت في درجة الحرارة على مسافة ، تختلف درجة الحرارة كدالة للوقت ، حيث يتم تبريد الفرن ببطء بمعدل ثابت. في أعلى درجة حرارة ، سيتم إذابة كل اليورانيوم في التيلوريوم السائل ، الذي لديه درجة حرارة انصهار أقل بكثير من اليورانيوم. عندما يبرد الفرن ، تنخفض قابلية ذوبان UTe2 وتترسب بلورات UTe2 المفردة وتصبح أكبر. عند درجة حرارة منخفضة بما يكفي لتوليد بلورات مفردة UTe2 كبيرة بما فيه الكفاية ، ولكنها لا تزال مرتفعة بما يكفي ليظل التيلوريوم سائلا ، تتم إزالة أنبوب الكوارتز من الفرن الساخن ، ووضعه في جهاز طرد مركزي ونسجه ، والذي يفصل UTe2 الصلب عن التيلوريوم السائل قبل أن يتجمد. بعد ذلك ، يسمح للأنبوب بالتبريد إلى درجة حرارة الغرفة ، قبل كسره لجمع البلورات.
والعمل باليورانيوم المنضب نشاط يخضع لتنظيم شديد ويتطلب الوعي بالقوانين المعمول بها والامتثال لها. اتبع جميع قواعد سلامة المواد الخطرة والمشعة المحلية المعمول بها ، واحصل على الإذن اللازم لأداء هذا العمل. تختلف هذه القواعد حسب الولاية القضائية والمؤسسة ولا يمكن تناولها هنا. ومع ذلك ، تنطبق بعض المبادئ العامة التي يمكن أن تساعد في تخطيط البحوث. وينبغي تدريب الباحثين على العمل مع المواد المشعة والخطرة. ارتداء معدات الحماية الشخصية اللازمة، بما في ذلك القفازات. العمل بشكل منهجي والحرص على تجنب انتشار المواد المشعة. تخلص من النفايات في حاويات تحمل علامات ومعتمدة.
The authors have nothing to disclose.
تم دعم هذا البحث من قبل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا. تم دعم أجزاء من التوليف من قبل مبادرة EPiQS التابعة لمؤسسة جوردون وبيتي مور من خلال المنحة رقم. GBMF9071. تم دعم أجزاء من التوصيف من قبل جائزة وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) DE-SC0019154. لا يقصد من تحديد بعض المنتجات التجارية وأسماء الشركات أن يعني توصية أو تأييد من قبل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ، ولا يقصد به الإيحاء بأن المنتجات أو الأسماء المحددة هي بالضرورة الأفضل المتاحة لهذا الغرض.
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 |