Summary
Hier presenteren we een protocol om twee soorten UTe2-kristallen te synthetiseren: die met robuuste supergeleiding, via chemische damptransportsynthese, en die zonder supergeleiding, via gesmolten metaalfluxsynthese.
Abstract
Single crystal specimens van de actinide verbinding uranium ditelluride, UTe2, zijn van groot belang voor de studie en karakterisering van zijn dramatische onconventionele supergeleiding, waarvan wordt aangenomen dat het spin-triplet elektronenparen met zich meebrengt. Een verscheidenheid in de supergeleidende eigenschappen van UTe2 gerapporteerd in de literatuur geeft aan dat discrepanties tussen synthesemethoden kristallen opleveren met verschillende supergeleidende eigenschappen, waaronder de afwezigheid van supergeleiding volledig. Dit protocol beschrijft een proces om kristallen te synthetiseren die supergeleiding vertonen via chemisch damptransport, dat consequent een supergeleidende kritische temperatuur van 1,6 K en een dubbele overgang heeft vertoond die wijst op een multi-component ordeparameter. Dit wordt vergeleken met een tweede protocol dat wordt gebruikt om kristallen te synthetiseren via de gesmolten metaalfluxgroeitechniek, die monsters produceert die geen bulk supergeleiders zijn. Verschillen in de kristaleigenschappen worden onthuld door een vergelijking van structurele, chemische en elektronische eigenschapsmetingen, waaruit blijkt dat de meest dramatische ongelijkheid optreedt in de elektrische weerstand bij lage temperaturen van de monsters.
Introduction
Bij temperaturen die doorgaans veel lager zijn dan kamertemperatuur, vertonen veel materialen supergeleiding - de fascinerende macroscopische kwantumtoestand waarin de elektrische weerstand absoluut nul wordt en elektrische stroom kan stromen zonder dissipatie. In de typische supergeleidende fase vormen de samenstellende elektronen, in plaats van als afzonderlijke entiteiten te fungeren, Cooper-paren, die gewoonlijk bestaan uit twee elektronen met tegengestelde spins, in een spin-singletconfiguratie. In zeer zeldzame gevallen kunnen de Cooper-paren echter in plaats daarvan bestaan uit twee elektronen met parallelle spins, in een spin triplet-configuratie. Onder de paar duizend supergeleiders die tot nu toe zijn ontdekt, zijn er slechts een paar supergeleiders die zijn geïdentificeerd als spin triplet-kandidaten. Dit zeldzame kwantumfenomeen heeft veel onderzoeksinteresse getrokken omdat spin triplet-supergeleiders worden voorgesteld als een potentiële bouwsteen voor kwantumcomputers1,2, de volgende generatie rekentechnologie.
Onlangs meldden Ran en collega's dat UTe2 een kandidaat spin triplet supergeleider3 is. Deze supergeleider heeft veel exotische eigenschappen die wijzen op een spin tripletconfiguratie: een extreem, onevenredig groot, kritisch magnetisch veld dat nodig is om de supergeleiding te onderdrukken, een temperatuuronafhankelijke NMR Knight-verschuiving3, een spontaan magnetisch moment aangegeven door het optische Kerr-effect4, en een chirale elektronische oppervlaktetoestand die wordt aangegeven door scanning tunneling spectroscopie5 . Bovendien worden extra supergeleidende fasen daadwerkelijk geïnduceerd in een hoog magnetisch veld6, een voorbeeld van het ongewone fenomeen van reentrant supergeleiding.
Hoewel deze nieuwe resultaten robuust zijn, zijn de supergeleidende eigenschappen van UTe2 afhankelijk van het syntheseproces dat door verschillende groepen wordt gebruikt7,8,9. Kristallen van UTe2 gesynthetiseerd met behulp van de chemische damptransportmethode supergeleiding onder een kritische temperatuur van 1,6 K. Daarentegen hebben degenen die worden gekweekt met behulp van de gesmolten fluxmethode een sterk onderdrukte supergeleidende kritische temperatuur of hebben ze helemaal geen supergeleiding. In afwachting van toepassingen zoals quantum computing is het betrouwbaar verkrijgen van kristallen die supergeleiden zeer wenselijk. Bovendien is het onderzoeken waarom nominaal vergelijkbare kristallen niet supergeleiden ook zeer nuttig voor het begrijpen van het fundamentele supergeleidende paringsmechanisme in UTe2, dat, hoewel nieuw en een onderwerp van intensief onderzoek, aanzienlijk moet verschillen van dat van conventionele supergeleiders. Om deze redenen zijn de twee verschillende synthesemethoden complementair en nuttig om te vergelijken. In dit artikel worden twee verschillende methoden voor synthese van UTe2 gedemonstreerd en worden de eigenschappen van de enkele kristallen uit de twee methoden vergeleken.
Protocol
1. Verwijderen van uraniumoxide uit het uraniummetaal
- Bereid in een zuurkast drie bekers voor die respectievelijk 1 ml salpeterzuur, 5 ml gedestilleerd water en 5 ml aceton bevatten.
- Snijd met behulp van een zaag of snijders een stuk uraniummetaal tot de gewenste massa.
- Plaats met een pincet het uranium met salpeterzuur in het bekerglas. Wacht ongeveer 10 s voordat het zuur het zwarte geoxideerde oppervlak oplost, zodat het uranium glanzend en metaalachtig lijkt.
- Haal het stuk uranium uit het zuur, spoel het gedurende 5 s in gedestilleerd water en verwijder vervolgens het stuk uranium.
- Doe het uranium gedurende 5 s in het bekerglas met aceton en verwijder het.
- Bepaal de massa van het uranium. Het uranium is klaar voor synthese.
2. Chemisch damptransport
- Weeg een geschikte hoeveelheid elementair tellurium af, afhankelijk van de hoeveelheid uranium die eerder is gereinigd, volgens een atomaire verhouding van uranium tot telluur van 2:3.
- Weeg een geschikte hoeveelheid jodium af, bepaald door de gewenste dichtheid van 1 mg/cm3 in het volume van de kwartsbuis die tijdens de synthese moet worden gebruikt. Kies een lengte van de buis om de oven te overspannen, waarbij elk uiteinde in een van de temperatuurzones zit. Zorg ervoor dat de diameter goed in de oven past.
OPMERKING: Eerder gemelde monsters3 werden gemaakt in een kwartsbuis van 11 cm lang, met een binnendiameter van 14 mm, zodat de totale massa jodium ongeveer 17 mg is. - Sluit het ene uiteinde van een gesmolten kwartsbuis met behulp van een zaklamp. Een waterstof/zuurstof zaklamp werkt goed. Gebruik een zaklamp die heet genoeg wordt om gesmolten kwarts te verzachten. Laat de buis afkoelen.
- Doe alle materialen in de kwartsbuis. Evacueer de buis met behulp van een droge vacuümpomp en sluit de buis af met de zaklamp.
- Plaats de buis in een horizontale buisoven met 2 zones. Wanneer u dit doet, zorg er dan voor dat u alle grondstoffen naar één kant van de buis schuift, wat de hete kant zal zijn.
- Verwarm gedurende 12 uur met constante snelheden de hete kant tot 1060 °C en de andere kant tot 1000 °C. Houd de temperatuur 1 week vast en schakel vervolgens de oven uit om deze langzaam te laten afkoelen tot kamertemperatuur.
3. Groei van de flux van gesmolten metaal
- Weeg uranium en tellurium af volgens de atoomverhouding van 1:3.
- Doe alle materialen in een aluminiumoxidekroes van 2 ml. Leg bovenop deze smeltkroes nog eens 2 ml kroes, gevuld met kwartswol, naar beneden gericht.
- Sluit het ene uiteinde van een gesmolten kwartsbuis met behulp van een zaklamp. Een waterstof/zuurstof zaklamp werkt goed. Gebruik een zaklamp die heet genoeg wordt om het gesmolten kwarts zachter te maken. Laat de buis afkoelen.
- Plaats de twee kroezen in een kwartsbuis met een binnendiameter van 14 mm. Gebruik een droge vacuümpomp om de buis te evacueren en sluit de buis vervolgens af met de zaklamp.
- Plaats de kwartsbuis in een aluminiumoxidekroes van 50 ml om te worden gebruikt als een buitencontainer voor stabiliteit. Plaats deze in een doosoven.
- Verwarm de oven gedurende 12 uur met een constante snelheid tot 1180 °C. Houd de temperatuur 5 uur vast. Koel de oven met constante snelheid tot 975 °C gedurende meer dan 100 uur.
- Bereid een centrifuge voor met een uitzwaairotor en metalen emmers. Haal bij 975 °C de buis eruit met een oventang, keer deze voorzichtig om en plaats hem vervolgens in de centrifuge. Draai met 2500 x g (4000 rpm voor deze verzegelde kwartsbuisassemblages) gedurende 10-20 s, waardoor het extra vloeibare tellurium zich van de UTe2-kristallen moet scheiden en verstrikt raakt in de kwartswol.
- Laat de buis afkoelen tot kamertemperatuur.
4. Het openen van de buizen en het oogsten van de kristallen
- Plaats de kwartsbuis in een afgesloten plastic zak en plaats deze op een hard oppervlak, zoals een laboratoriumbank of een zuurkast.
- Gebruik een kleine hamer of een ander stomp voorwerp om de kwartsbuis voorzichtig te kraken en te breken, bij voorkeur aan het einde weg van de kristallen.
- Open de plastic zak en haal de UTe2 kristallen eruit. Voer dit proces binnen een uur of zo uit, omdat UTe2 luchtgevoelig is en merkbaar afbreekt in de loop van enkele uren.
- Spoel de kristallen af met 2 ml ethanol om jodium te verwijderen.
- Bewaar de UTe2-kristallen onder een inerte atmosfeer, zoals in een stikstofhandschoenkastje.
Representative Results
Beide groeitechnieken leveren kristallen van UTe2 op met afmetingen op de millimeterlengteschaal. Kristallen zijn glanzend, met een metaalachtige glans. De kristalmorfologie is variabel en er kunnen intergrowths optreden. Over het algemeen lijken chemische damptransport en flux gekweekte kristallen op elkaar en zijn ze niet gemakkelijk te onderscheiden door visuele inspectie, zoals blijkt uit figuur 1.
Om de kristalstructuur te bevestigen, worden poeder x-ray diffractiemetingen meestal uitgevoerd op gemalen enkelvoudige kristallen van zowel CVT gekweekte als flux gekweekte UTe2 enkele kristallen bij kamertemperatuur. Enkelvoudige kristallen van beide groeitechnieken hebben dezelfde kristalstructuur en zijn eenfasig, zonder tekenen van onzuiverheidsfasen. Figuur 2 toont de verzamelde röntgendiffractiegegevens en een verfijning van een lichaamsgerichte orthorhombe kristalstructuur met de ruimtegroep Immm10.
De temperatuurafhankelijkheid van de elektrische weerstand is een typische manier om metalen materialen te karakteriseren. Figuur 3 vergelijkt de temperatuurafhankelijkheid van de elektrische weerstand, genormaliseerd naar de kamertemperatuurwaarde, voor monsters van UTe2 gesynthetiseerd met behulp van chemische damptransport- en fluxmethoden. Deze gegevens werden verzameld in een commercieel koelkastsysteem met behulp van een standaard 4-lead configuratie. Boven 50 K vertonen beide monsters een lichte toename van de elektrische weerstand bij afkoeling, wat atypisch is voor metalen. Dit gedrag komt overeen met dat veroorzaakt door verstrooiing van geleidingselektronen van de atomaire magnetische momenten van uranium, bekend als het kondo-effect met één ion. In beide monsters wordt ook een breed maximum gezien, gevolgd door een daling van de weerstand als gevolg van het begin van kondo-coherentie.
Een duidelijk verschil tussen de monsters is dat de waarde van de restweerstand, of de waarde van de weerstand in de nultemperatuurlimiet, dramatisch groter is in het monster dat met de fluxmethode wordt gesynthetiseerd. De restweerstandsverhouding RRR, of de verhouding tussen de weerstandswaarde bij kamertemperatuur en de restweerstand, is ongeveer 2 voor het fluxgekweekte monster, dat ongeveer 15 keer kleiner is dan de RRR-waarde van het chemische damptransportmonster. De sterk verminderde RRR van het flux gekweekte monster geeft aan dat er meer kristallografische onzuiverheden of defecten in het flux gekweekte monster zijn, die verantwoordelijk zijn voor een sterkere verstrooiing van de geleidingselektronen, en dus de hogere restweerstand. Deze waarden komen overeen met eerdere rapporten7.
Een dramatischer verschil is dat de flux gekweekte monsters niet supergeleiden. Over het algemeen is de aanwezigheid van onzuiverheden en defecten schadelijk voor supergeleiding omdat verhoogde verstrooiing de elektronenpareninteractie verzwakt die ten grondslag ligt aan supergeleiding. De effecten van stoornis kunnen nog meer uitgesproken zijn in UTe2, waarbij supergeleiding wordt verondersteld van de ongewone spin triplet-variëteit te zijn die over het algemeen gevoeliger is voor paarbreuk11,12,13,14,15,16,17,18,19. De effecten van stoornis en chemie op supergeleiding in UTe2 zijn nog in de begindagen en zijn momenteel een actief vakgebied.
De DC magnetische gevoeligheid, of magnetisatie genormaliseerd naar het toegepaste veld, van zowel flux gekweekte als CVT gekweekte UTe2 lijken erg op elkaar. Zoals te zien is in figuur 4, waarin de gegevens werden verzameld bij 1000 Oe in een commerciële SQUID-magnetometer, vertoont de magnetische gevoeligheid bij hoge temperaturen een paramagnetische respons wanneer het magnetisch veld wordt toegepast langs de kristallografische a-as van de monsters. Bij lage temperaturen neemt de magnetische gevoeligheid sterk toe en vertoont dan een lichte hellingsverandering bij ~10 K, waarschijnlijk als gevolg van de Kondo-coherentie. Het verschil tussen de magnetische gevoeligheidscurven van de twee monsters is klein en toe te schrijven aan een lichte verkeerde uitlijning van het monster, waardoor de twee monsters niet van elkaar te onderscheiden zijn voor deze meting.
Figuur 1: Foto's van enkelvoudige kristallen van UTe2. (A) flux gekweekt en (B-C) CVT gekweekt. De rasters zijn 1 mm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Powder Xray diffractiegegevens van CVT gekweekte UTe2. De gegevens tonen de goede kwaliteit van het monster zonder zichtbare pieken van onzuiverheden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Genormaliseerde elektrische weerstandsgegevens als functie van de temperatuur voor zowel CVT gekweekt als flux gekweekt UTe2. Het fluxgekweekte monster heeft een aanzienlijk grotere restweerstand, wat een kenmerk is van een verhoogde kristallografische aandoening. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Magnetische gevoeligheid, of magnetisatie genormaliseerd voor toegepast magnetisch veld, als functie van temperatuur voor zowel CVT gekweekt als flux gekweekt UTe2. De monsters vertonen vergelijkbaar gedrag, inclusief een karakteristieke knik bij ongeveer 10 K. Een magnetisch veld H = 1000 Oe wordt parallel aan de kristallografische a-as aangebracht. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Discussion
Om chemisch damptransport uit te voeren, is het het eenvoudigst om een horizontale oven met twee zones te gebruiken, die een temperatuurgradiënt kan genereren door de twee zones op verschillende temperaturen in te stellen. Succesvol gebruik van een oven met één zone om supergeleidende monsters te kweken is nog niet aangetoond. Grondstoffen worden afgedicht met een waterstof-zuurstofbrander in een gesmolten kwartsbuis, die van lucht moet worden gezuiverd. Het reinigen en afdichten kan worden bereikt door de buis aan te sluiten op een spruitstuk dat is bevestigd aan een droge pomp en een argongasfles. Eenmaal voorbereid, wordt deze buis in de oven geplaatst, zodat twee uiteinden van de buis de twee temperatuurzones overspannen. In het geval van UTe2 wordt het uiteinde van de buis met de uitgangsmaterialen aan het hete uiteinde geplaatst. Het elementaire uranium en tellurium reageren met jodium, reizen als een damp door de buis en stollen uiteindelijk aan het koude uiteinde de kwartsbuis in de vorm van enkele kristallen. Over het algemeen is de groei van grote kristallen materiaalafhankelijk en kan het enkele weken duren. Voor UTe2 is 7 dagen voldoende om kristallen met mm-afmetingen te laten groeien. Na de groei wordt de buis uit de oven verwijderd en geopend om de kristallen te oogsten.
De zelffluxmethode van gesmolten metaal vereist een eenvoudige resistieve doosoven met één temperatuurzone. Uranium lost op in gesmolten tellurium en de oplosbaarheid van UTe2 is afhankelijk van de temperatuur. Grondstoffen, elementair uranium en tellurium, worden in een aluminiumoxidekroes geplaatst. Bovenop deze smeltkroes wordt een tweede smeltkroes ondersteboven geplaatst, gevuld met kwartswol. De twee kroezen worden verzegeld in een kwartsbuis, die in een doosoven wordt geplaatst. Deze keer, in plaats van een vaste temperatuurgradiënt over een afstand te genereren, wordt de temperatuur gevarieerd als een functie van de tijd, omdat de oven langzaam wordt afgekoeld met een vaste snelheid. Bij de hoogste temperatuur wordt al het uranium opgelost in vloeibaar tellurium, dat een veel lagere smelttemperatuur heeft dan uranium. Naarmate de oven afkoelt, neemt de oplosbaarheid van UTe2 af en worden UTe2-enkelvoudige kristallen neergeslagen en groter. Bij een temperatuur die laag genoeg is om voldoende grote UTe2-enkelvoudige kristallen te hebben gegenereerd, maar nog steeds hoog genoeg om het telluur vloeibaar te houden, wordt de kwartsbuis uit de hete oven verwijderd, in een centrifuge geplaatst en gesponnen, die de vaste UTe2 van het vloeibare tellurium scheidt voordat deze bevriest. Daarna mag de buis afkoelen tot kamertemperatuur, voordat deze wordt gebroken om de kristallen te verzamelen.
Werken met verarmd uranium is een sterk gereguleerde activiteit die bewustzijn van en naleving van de toepasselijke wetgeving vereist. Volg alle lokale toepasselijke veiligheidsregels voor gevaarlijke en radioactieve materialen en zorg voor de nodige toestemming om deze werkzaamheden uit te voeren. Deze regels verschillen per rechtsgebied en instelling en kunnen hier niet worden behandeld. Er zijn echter enkele algemene principes van toepassing die kunnen helpen bij de planning van onderzoek. Onderzoekers moeten worden opgeleid om met radioactieve en gevaarlijke materialen te werken. Draag de nodige persoonlijke beschermingsmiddelen, inclusief handschoenen. Werk methodisch en zorg ervoor dat de verspreiding van radioactief materiaal wordt voorkomen. Gooi afval weg in geëtiketteerde en goedgekeurde containers.
Disclosures
De auteurs verklaren geen tegenstrijdige belangen te hebben.
Acknowledgments
Dit onderzoek werd ondersteund door het National Institute of Standards and Technology. Delen van de synthese werden ondersteund door het EPiQS-initiatief van Gordon en Betty Moore Foundation via Grant No. GBMF9071. Delen van de karakterisering werden ondersteund door de US Department of Energy (DOE) award DE-SC0019154. Identificatie van bepaalde commerciële producten en bedrijfsnamen is niet bedoeld om aanbeveling of goedkeuring door het National Institute of Standards and Technology te impliceren, noch is het bedoeld om te impliceren dat de geïdentificeerde producten of namen noodzakelijkerwijs de beste zijn die beschikbaar zijn voor het doel.
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).
