Summary
Her præsenterer vi en protokol til syntetisering af to typer UTe2-krystaller: dem, der udviser robust superledningsevne via kemisk damptransportsyntese, og dem, der mangler superledningsevne, via smeltet metalfluxsyntese.
Abstract
Enkeltkrystalprøver af actinidforbindelsen urandiellurid, UTe2, er af stor betydning for undersøgelsen og karakteriseringen af dets dramatiske ukonventionelle superledningsevne, der menes at indebære spin-triplet elektronparring. En variation i de superledende egenskaber af UTe2 rapporteret i litteraturen indikerer, at uoverensstemmelser mellem syntesemetoder giver krystaller med forskellige superledende egenskaber, herunder fraværet af superledningsevne helt. Denne protokol beskriver en proces til syntetisering af krystaller, der udviser superledningsevne via kemisk damptransport, som konsekvent har udvist en superledende kritisk temperatur på 1,6 K og en dobbelt overgang, der indikerer en multikomponentordreparameter. Dette sammenlignes med en anden protokol, der bruges til at syntetisere krystaller via smeltet metalfluxvækstteknikken, som producerer prøver, der ikke er bulksuperledere. Forskelle i krystalegenskaberne afsløres gennem en sammenligning af strukturelle, kemiske og elektroniske egenskabsmålinger, der viser, at den mest dramatiske forskel forekommer i prøvernes elektriske modstand ved lav temperatur.
Introduction
Ved temperaturer, der typisk er meget lavere end stuetemperatur, udviser mange materialer superledningsevne - den fascinerende makroskopiske kvantetilstand, hvor den elektriske modstand bliver absolut nul, og elektrisk strøm kan strømme uden spredning. I den typiske superledende fase danner de bestanddele elektroner i stedet for at fungere som separate enheder Cooper-par, som almindeligvis består af to elektroner med modsatte spins, i en spin singlet-konfiguration. I meget sjældne tilfælde kan Cooper-parrene dog i stedet består af to elektroner med parallelle spins i en spin triplet-konfiguration. Blandt de få tusinde superledere, der hidtil er opdaget, er der kun få superledere, der er blevet identificeret som spin triplet kandidater. Dette sjældne kvantefænomen har tiltrukket sig stor forskningsinteresse, fordi spin triplet superledere foreslås at være en potentiel byggesten for kvantecomputere1,2, den næste generation af beregningsteknologi.
For nylig rapporterede Ran og kolleger, at UTe2 er en kandidat spin triplet superleder3. Denne superleder har mange eksotiske egenskaber, der indikerer en spin tripletkonfiguration: et ekstremt, uforholdsmæssigt stort, kritisk magnetfelt, der kræves for at undertrykke superledningsevnen, et temperaturuafhængigt NMR Knight-skift3, et spontant magnetisk øjeblik indikeret af den optiske Kerr-effekt4 og en chiral elektronisk overfladetilstand indikeret ved scanning tunnelspektroskopi5 . Desuden induceres yderligere superledende faser faktisk i højt magnetfelt6, et eksempel på det usædvanlige fænomen reentrant superledningsevne.
Selvom disse nye resultater er robuste, afhænger UTe2's superledende egenskaber af den synteseproces, der anvendes af forskellige grupper7,8,9. Krystaller af UTe2 syntetiseret ved anvendelse af den kemiske damptransportmetode superleder under en kritisk temperatur på 1,6 K. I modsætning hertil har de, der dyrkes ved hjælp af smeltet fluxmetoden, en stærkt undertrykt superledende kritisk temperatur eller superleder slet ikke. I forventning om applikationer som kvanteberegning er det meget ønskeligt at opnå krystaller, som superlederen. Desuden er det også meget nyttigt at undersøge, hvorfor nominelt lignende krystaller ikke superledende er meget nyttigt for at forstå den grundlæggende superledende parringsmekanisme i UTe2, som, selvom den er ny og et emne for intens forskning, skal afvige væsentligt fra konventionelle superledere. Af disse grunde er de to forskellige syntesemetoder komplementære og nyttige at sammenligne. I dette papir demonstreres to forskellige metoder til syntese af UTe2, og egenskaberne af de enkelte krystaller fra de to metoder sammenlignes.
Protocol
1. Fjernelse af uranoxid fra uranmetallet
- I en stinkhætte fremstilles tre bægerglas, der indeholder henholdsvis 1 ml salpetersyre, 5 ml destilleret vand og 5 ml acetone.
- Brug en sav eller fræsere til at skære et stykke uranmetal til den ønskede masse.
- Brug pincet til at placere uranen i bægerglasset med salpetersyre. Vent i ca. 10 s på, at syren opløser den sorte oxiderede overflade, således at uranet fremstår skinnende og metallisk.
- Tag uranstykket ud af syren, skyl det i destilleret vand i 5 s, og fjern derefter uranstykket.
- Kom uranet i bægerglasset indeholdende acetone i 5 s og fjern det.
- Bestem uranens masse. Uranen er klar til syntese.
2. Kemisk damptransport
- En passende mængde elementært tellur afvejes, afhængigt af mængden af uran, der tidligere er renset, efter et atomforhold mellem uran og tellurium på 2:3.
- En passende mængde jod afvejes, bestemt ved den ønskede massegrad på 1 mg/cm3 i volumenet af kvartsrøret, der skal anvendes under syntesen. Vælg en længde på røret for at spænde over ovnen, hvor hver ende sidder i en af temperaturzonerne. Sørg for, at diameteren passer godt i ovnen.
BEMÆRK: Prøver, der tidligere er rapporteret3 , blev fremstillet i et kvartsrør, der er 11 cm langt, med en indvendig diameter på 14 mm, således at den samlede masse af jod er ca. 17 mg. - Luk den ene ende af et smeltet kvartsrør ved hjælp af en lommelygte. En brint/ilt fakkel fungerer godt. Brug enhver fakkel, der bliver varm nok til at blødgøre smeltet kvarts. Lad røret køle af.
- Sæt alle materialerne i kvartsrøret. Evakuer røret ved hjælp af en tør vakuumpumpe, og forsegl røret med lommelygten.
- Indsæt røret i en 2-zone vandret rørovn. Når du gør dette, skal du sørge for at skubbe alle råmaterialerne til den ene side af røret, hvilket vil være den varme side.
- Over 12 timer opvarmes den varme side med konstante hastigheder til 1060 °C og den anden side til 1000 °C. Hold temperaturerne i 1 uge, og sluk derefter ovnen for at lade den afkøle langsomt til stuetemperatur.
3. Smeltet metalfluxvækst
- Afvej uran og tellur i henhold til atomforholdet 1:3.
- Kom alle materialerne i en 2 ml aluminiumoxiddigel. Oven på denne digel anbringes en anden 2 ml digel, fyldt med kvartsuld, der vender nedad.
- Luk den ene ende af et smeltet kvartsrør ved hjælp af en lommelygte. En brint/ilt fakkel fungerer godt. Brug enhver fakkel, der bliver varm nok til at blødgøre den smeltede kvarts. Lad røret køle af.
- De to digler anbringes i et kvartsrør med en indvendig diameter på 14 mm. Brug en tør vakuumpumpe til at evakuere røret og derefter forsegle røret med lommelygten.
- Kvartsrøret anbringes i en 50 ml aluminiumoxiddigel, der skal bruges som en udvendig beholder for stabilitet. Anbring disse i en kasseovn.
- Over 12 timer opvarmes ovnen med en konstant hastighed til 1180 °C. Hold temperaturen i 5 timer. Ovnen afkøles med konstant hastighed til 975 °C i over 100 timer.
- Forbered en centrifuge med en sving rotor og metal spande. Ved 975 °C tages røret ud med en ovntang, vender det forsigtigt om og sætter det derefter i centrifugen. Spin ved 2500 x g (4000 o / min for disse forseglede kvartsrørsamlinger) i 10-20 s, hvilket tvinger det ekstra flydende tellur til at adskille sig fra UTe2-krystallerne og blive fanget i kvartsulden.
- Lad røret køle af til stuetemperatur.
4. Åbning af rørene og høst af krystallerne
- Læg kvartsrøret i en forseglet plastikpose, og læg det på en hård overflade, såsom en laboratoriebænk eller en stinkhætte.
- Brug en lille hammer eller en anden stump genstand til forsigtigt at knække og bryde kvartsrøret, helst i enden væk fra krystallerne.
- Åbn plastikposen, og vælg UTe2-krystallerne. Udfør denne proces inden for en time eller deromkring, da UTe2 er luftfølsom og mærkbart nedbrydes i løbet af flere timer.
- Skyl krystallerne med 2 ml ethanol for at fjerne jod.
- Opbevar UTe2-krystallerne under en inert atmosfære, f.eks. inde i en nitrogenhandskeboks.
Representative Results
Begge vækstteknikker giver krystaller af UTe2 med dimensioner på millimeterlængdeskalaen. Krystaller er skinnende, med en metallisk glans. Krystalmorfologien er variabel, og intergrowths kan forekomme. Generelt ser kemisk damptransport og fluxdyrkede krystaller ens ud og kan ikke let skelnes ved visuel inspektion, som det fremgår af figur 1.
For at bekræfte krystalstrukturen udføres pulverrøntgendiffraktionsmålinger typisk på knuste enkeltkrystaller af både CVT-dyrkede og fluxdyrkede UTe2-enkeltkrystaller ved stuetemperatur. Enkeltkrystaller fra begge vækstteknikker har samme krystalstruktur og er enkeltfasede uden tegn på urenhedsfaser. Figur 2 viser de indsamlede røntgendiffraktionsdata og en forfining til en kropscentreret ortorhombisk krystalstruktur med rumgruppen Immm10.
Temperaturafhængigheden af den elektriske modstand er en typisk måde at karakterisere metalliske materialer på. Figur 3 sammenligner temperaturafhængigheden af den elektriske modstand, normaliseret med stuetemperaturværdien, for prøver af UTe2 syntetiseret ved hjælp af kemiske damptransport- og fluxmetoder. Disse data blev indsamlet i et kommercielt køleskabssystem ved hjælp af en standard 4-blykonfiguration. Over 50 K viser begge prøver en lille stigning i den elektriske modstand ved afkøling, hvilket er atypisk for metaller. Denne adfærd er i overensstemmelse med den, der er forårsaget af spredning af ledningselektroner fra de uranatommagnetiske øjeblikke, kendt som den enkelte ion Kondo-effekt. Et bredt maksimum ses også i begge prøver, efterfulgt af et fald i resistens på grund af kondo-kohærens.
En tydelig forskel mellem prøverne er, at værdien af restmodstanden eller værdien af modstanden i nultemperaturgrænsen er dramatisk større i prøven syntetiseret ved fluxmetoden. Restmodstandsforholdet RRR eller forholdet mellem modstandsværdien ved stuetemperatur og restmodstandsmodstanden er ca. 2 for den fluxdyrkede prøve, som er ca. 15 gange mindre end RRR-værdien for den kemiske damptransportprøve. Den stærkt reducerede RRR af den fluxdyrkede prøve indikerer, at der er flere krystallografiske urenheder eller defekter i den fluxdyrkede prøve, som er ansvarlige for stærkere spredning af ledningselektronerne og dermed den højere restmodstand. Disse værdier er i overensstemmelse med tidligere rapporter7.
En mere dramatisk forskel er, at de fluxdyrkede prøver ikke superleder. Generelt er tilstedeværelsen af urenheder og defekter skadelig for superledningsevnen, fordi øget spredning svækker elektronparringsinteraktionen, der ligger til grund for superledningsevnen. Virkningerne af lidelse kan være endnu mere udtalte i UTe2, hvor superledningsevne menes at være af den usædvanlige spin triplet sort, der generelt er mere følsom over for parbrud11,12,13,14,15,16,17,18,19. Virkningerne af lidelse og kemi på superledningsevne i UTe2 er stadig i de tidlige dage og er i øjeblikket et aktivt fagområde.
DC magnetisk modtagelighed, eller magnetisering normaliseret til det påførte felt, af både flux dyrket og CVT dyrket UTe2 ser meget ens ud. Som vist i figur 4, hvor dataene blev indsamlet ved 1000 Oe i et kommercielt SQUID-magnetometer, viser den magnetiske modtagelighed ved høj temperatur et paramagnetisk respons, når magnetfeltet påføres langs prøvernes krystallografiske a-akse. Ved lave temperaturer øges den magnetiske modtagelighed kraftigt og viser derefter en lille hældningsændring ved ~ 10 K, sandsynligvis på grund af Kondo-kohærensen. Forskellen mellem de to prøvers magnetiske modtagelighedskurver er lille og kan tilskrives en lille prøveforskydning, hvilket gør de to prøver umulige at skelne fra denne måling.
Figur 1: Fotografier af enkeltkrystaller af UTe2. (A) flux dyrket og (B-C) CVT dyrket. Gitterene er 1 mm. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Pulver røntgendiffraktionsdata for CVT dyrket UTe2. Dataene viser prøvens gode kvalitet uden synlige toppe fra urenheder. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Normaliserede elektriske modstandsdata som funktion af temperaturen for både CVT dyrket og flux dyrket UTe2. Den fluxdyrkede prøve har en væsentligt større restmodstand, hvilket er en signatur for øget krystallografisk lidelse. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Magnetisk modtagelighed eller magnetisering normaliseret til påført magnetfelt som funktion af temperaturen for både CVT dyrket og flux dyrket UTe2. Prøverne viser lignende adfærd, herunder et karakteristisk knæk ved ca. 10 K. Et magnetfelt H = 1000 Oe påføres parallelt med den krystallografiske a-akse. Klik her for at se en større version af denne figur.
Discussion
For at udføre kemisk damptransport er det enkleste at udnytte en vandret ovn med to zoner, som kan generere en temperaturgradient ved at indstille de to zoner ved forskellige temperaturer. Vellykket anvendelse af en enzoneovn til at dyrke superledende prøver er endnu ikke blevet påvist. Udgangsmaterialer forsegles med en hydrogen-iltbrænder i et smeltet kvartsrør, som skal renses for luft. Rensningen og tætningen kan opnås ved at forbinde røret til en manifold fastgjort til en tørpumpe og en argongascylinder. Når det er forberedt, placeres dette rør i ovnen, således at to ender af røret spænder over de to temperaturzoner. I tilfælde af UTe2 placeres enden af røret, der indeholder udgangsmaterialerne, i den varme ende. Det elementære uran og tellurium reagerer med jod, bevæger sig ned i røret som en damp og størkner til sidst i den kolde ende kvartsrøret i form af enkeltkrystaller. Generelt er væksten af store krystaller materialeafhængig og kan tage flere uger. For UTe2 er 7 dage nok til at dyrke krystaller med mm dimensioner. Efter væksten fjernes røret fra ovnen og åbnes for at høste krystallerne.
Selvfluxmetoden med smeltet metal kræver en simpel resistiv kasseovn med en temperaturzone. Uran opløses i smeltet tellur, og opløseligheden af UTe2 er afhængig af temperaturen. Udgangsmaterialer, elementært uran og tellurium, placeres i en aluminiumoxiddigel. Oven på denne digel anbringes en anden digel på hovedet, fyldt med kvartsuld. De to digler forsegles i et kvartsrør, som sættes i en kasseovn. Denne gang, i stedet for at generere en fast temperaturgradient over en afstand, varieres temperaturen som en funktion af tiden, da ovnen langsomt afkøles med en fast hastighed. Ved den højeste temperatur opløses alt uran i flydende tellur, som har en meget lavere smeltetemperatur end uran. Når ovnen afkøles, falder opløseligheden af UTe2, og UTe2 enkeltkrystaller udfældes og bliver større. Ved en temperatur, der er lav nok til at have genereret tilstrækkeligt store UTe2 enkeltkrystaller, men stadig høj nok til, at telluret forbliver flydende, fjernes kvartsrøret fra den varme ovn, anbringes i en centrifuge og spindes, hvilket adskiller det faste UTe2 fra det flydende tellurium, før det fryser. Derefter får røret lov til at afkøle til stuetemperatur, før det brydes for at samle krystallerne.
At arbejde med forarmet uran er en stærkt reguleret aktivitet, der kræver bevidsthed om og overholdelse af gældende love. Følg alle lokale gældende sikkerhedsregler for farlige og radioaktive materialer, og sørg for den nødvendige tilladelse til at udføre dette arbejde. Disse regler varierer efter jurisdiktion og institution og kan ikke behandles her. Der gælder dog nogle generelle principper, der kan hjælpe med planlægningen af forskning. Forskere bør uddannes til at arbejde med radioaktive og farlige materialer. Brug nødvendigt personligt beskyttelsesudstyr, herunder handsker. Arbejd metodisk og pas på at undgå spredning af radioaktivt materiale. Kassér affald i mærkede og godkendte beholdere.
Disclosures
Forfatterne erklærer ingen konkurrerende interesser.
Acknowledgments
Denne forskning blev støttet af National Institute of Standards and Technology. Dele af syntesen blev støttet af Gordon og Betty Moore Foundation's EPiQS Initiative gennem Grant No. DKMF9071. Dele af karakteriseringen blev støttet af US Department of Energy (DOE) -prisen DE-SC0019154. Identifikation af visse kommercielle produkter og firmanavne er ikke beregnet til at antyde anbefaling eller godkendelse fra National Institute of Standards and Technology, og det er heller ikke hensigten at antyde, at de identificerede produkter eller navne nødvendigvis er de bedste tilgængelige til 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. Nearly ferromagnetic spin-triplet superconductivity. Science. 365 (6454), 684-687 (2019).
- Hayes, I. M., et al. Weyl Superconductivity in UTe2. arXiv. , (2020).
- Jiao, L., et al. Chiral superconductivity in heavy-fermion metal UTe2. Nature. 579, 523 (2020).
- Ran, S., et al. Extreme magnetic field-boosted superconductivity. Nature Physics. 15, 1250-1254 (2019).
- 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).
