ここでは、化学蒸気輸送合成による強固な超伝導を示すものと、超伝導を欠くもの溶融金属フラックス合成の2 種類のUTe2結晶を合成するためのプロトコルを提示する。
アクチニド化合物ウランジテルル化物UTe2の単結晶標本は、スピン-三重項電子対形成を伴うと考えられているその劇的な非従来型超伝導の研究と特性評価にとって非常に重要である。文献で報告されたUTe2の様々な超伝導特性は、合成方法間の不一致が、超伝導が全く存在しないことを含む、異なる超伝導特性を有する結晶を生成することを示している。このプロトコルは、化学蒸気輸送を介して超伝導を示す結晶を合成するプロセスを記述しており、これは一貫して1.6Kの超伝導臨界温度と多成分次数パラメータを示す二重遷移を示している。これは、バルク超伝導体ではないサンプルを生成する溶融金属フラックス成長技術を介して結晶を合成するために使用される第2のプロトコルと比較される。結晶特性の違いは、構造的、化学的、および電子的特性測定の比較によって明らかにされ、試料の低温電気抵抗に最も劇的な格差が生じることが示されている。
通常、室温よりもはるかに低い温度では、多くの材料が超伝導、すなわち電気抵抗が完全にゼロになり、電流が散逸することなく流れることができる魅力的な巨視的な量子状態を示す。典型的な超伝導相では、構成電子は別々の実体として作用するのではなく、一般に反対のスピンを持つ2つの電子からなるクーパー対をスピン一重項配置で形成する。しかし、非常にまれなケースでは、クーパー対は代わりに、スピントリプレット配置で、平行なスピンを持つ2つの電子で構成することができます。これまでに発見された数千の超伝導体のうち、スピントリプレット候補として同定された超伝導体はごくわずかです。スピントリプレット超伝導体が次世代の計算技術である量子コンピュータ1,2の潜在的な構成要素の一つとして提案されているため、この稀な量子現象は多くの研究関心を集めています。
最近、RanらはUTe2がスピントリプレット超伝導体の候補であると報告した3。この超伝導体は、超伝導を抑制するために必要な極端で不釣り合いに大きい臨界磁場、温度に依存しないNMRナイトシフト3、光カー効果4によって示される自発磁気モーメント、走査トンネル分光法によって示されるキラル電子表面状態5.さらに、追加の超伝導相が実際に高磁場中で誘導される6これは、再入可能な超伝導の異常な現象の一例である。
これらの新しい結果は頑健であるが、UTe2の超伝導特性は、異なるグループによって使用される合成プロセスに依存する7,8,9。化学蒸気輸送法を用いて合成されたUTe2の結晶は、臨界温度1.6K以下の超伝導である。これに対して、溶融フラックス法を用いて成長させたものは、超伝導臨界温度を大幅に抑制しているか、あるいは超伝導を全く行わない。量子コンピューティングなどの応用を見越して、超伝導する結晶を確実に得ることが非常に望まれている。さらに、名目上類似の結晶がなぜ超伝導をしないのかを調べることは、UTe2の基本的な超伝導対形成機構を理解するのにも非常に役立ちますが、UTe2は斬新で激しい研究のテーマではありますが、従来の超伝導体とは大きく異なるに違いありません。これらの理由から、2つの異なる合成方法は相補的であり、比較するのに有用である。本稿では、UTe2の合成方法の2つの異なる方法を実証し、2つの方法から単結晶の特性を比較する。
化学蒸気輸送を行うには、2つのゾーンを異なる温度に設定することによって温度勾配を生成できる2ゾーン水平炉を利用するのが最も簡単です。超伝導サンプルを成長させるためにワンゾーン炉をうまく使用できるかどうかはまだ実証されていません。出発物質は、空気をパージしなければならない溶融石英管内の水素酸素トーチで密封される。パージとシーリングは、チューブをドライポンプとアルゴンガスボンベに取り付けられたマニホールドに接続することによって達成することができます。一旦準備されると、このチューブは、チューブの2つの端が2つの温度帯にまたがるように炉内に配置される。UTe2の場合、出発物質を含むチューブの端部が高温端に配置される。元素状のウランとテルルはヨウ素と反応し、蒸気として管を下り、最終的に石英管を冷端で単結晶の形で凝固させる。一般に、大きな結晶の成長は材料に依存し、数週間かかることがあります。UTe2の場合、mm寸法の結晶を成長させるには7日間で十分です。成長に続いて、チューブは炉から取り除かれ、結晶を収穫するために開かれる。
溶融金属自己流束法は、1つの温度帯を有する単純な抵抗ボックス炉を必要とする。ウランは溶融テルルに溶解し、UTe2の溶解度は温度に依存する。出発物質である元素ウラン、およびテルルは、アルミナるつぼに入れられる。このるつぼの上に、石英ウールで満たされた2番目のるつぼが逆さまに置かれます。2つのるつぼは石英管に密封され、箱型炉に入れられる。今回は、距離にわたって固定された温度勾配を生成する代わりに、炉が一定の速度でゆっくりと冷却されるように、温度が時間の関数として変化する。最高温度では、すべてのウランは、ウランよりもはるかに低い溶融温度を有する液体テルルに溶解する。炉が冷えるにつれて、UTe2の溶解度が低下し、UTe2単結晶が析出して大きくなる。十分に大きなUTe2単結晶を生成するのに十分低いが、テルルが液体のままになるのに十分高い温度で、石英管を高温炉から取り出し、遠心分離機に入れて紡糸し、固体UTe2を液体テルルから分離してから凍結させる。その後、チューブを室温まで冷却し、結晶を集めるために壊れる前に。
劣化ウランの取り扱いは厳しく規制された活動であり、適用法の認識と遵守が必要です。現地で適用されるすべての有害物質および放射性物質安全規則に従い、この作業を実行するために必要な許可を確保してください。これらの規則は管轄区域や機関によって異なり、ここでは対処できません。ただし、研究の計画に役立ついくつかの一般的な原則が適用されます。研究者は、放射性物質や危険物を扱うように訓練されるべきです。手袋を含む必要な個人用保護具を着用してください。系統的に作業し、放射性物質の拡散を避けるために注意してください。廃棄物はラベル付きおよび承認された容器に廃棄します。
The authors have nothing to disclose.
この研究は、米国国立標準技術研究所の支援を受けました。合成の一部は、ゴードン・アンド・ベティ・ムーア財団のEPiQSイニシアチブ(Grant No.)によって支援された。GBMF9071。特性評価の一部は、米国エネルギー省(DOE)賞DE-SC0019154によって支持された。特定の商用製品および会社名の識別は、米国国立標準技術研究所による推奨または承認を意味するものではなく、特定された製品または名称が必ずしもその目的のために利用可能な最良のものであることを意味するものでもありません。
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 |