Depuis qu’on a découvert qu’il s’agissait d’un supraconducteur il y a environ cinq ans, le ditellurure d’uranium a créé beaucoup de buzz dans la communauté des matériaux quantiques – et beaucoup de confusion, avec plus d’une douzaine de théories sur la véritable nature de ses propriétés supraconductrices. Certains ont suggéré des possibilités intéressantes pour l'informatique quantique.

Dans une expérience, Brad Ramshaw, professeur agrégé de physique au Collège des Arts et des Sciences (A&S) et ses collègues ont utilisé les ultrasons pour rassembler des preuves directes que le ditellurure d'uranium possède un paramètre d'ordre supraconducteur à un seul composant, excluant un type plus exotique de supraconducteur. cela aurait été une nouvelle passionnante pour l’informatique quantique. Mais l'établissement d'une base de données de base sur la supraconductivité intrinsèque du matériau laisse encore la porte ouverte à la découverte de possibilités complexes supplémentaires grâce à des études plus approfondies.

L'expérience établit que les développements techniques récents dans le laboratoire de Ramshaw font des ultrasons à écho d'impulsion, qui utilisent des impulsions sonores pour examiner la rigidité mécanique des matériaux quantiques, une technique fiable et souhaitable pour examiner les matériaux supraconducteurs.

Le rapport de recherche, intitulé « Supraconductivité à un seul composant dans l'UTe₂ à pression ambiante", est publié dans Nature Physics . Ramshaw est l’auteur correspondant avec le doctorant Florian Theuss comme premier auteur. Le doctorant Avi Shragai et l'ancien chercheur postdoctoral Gael Grissonnanche, aujourd'hui professeur à l'Institut Polytechnique de Paris, ont contribué, aux côtés de collaborateurs de l'Université du Maryland et de l'Université du Wisconsin à Milwaukee.

"Tous les supraconducteurs ont une résistance nulle, mais à un niveau plus subtil, il existe différentes sortes de supraconducteurs", a déclaré Ramshaw. "Les chercheurs souhaitent découvrir ces différentes saveurs parce que, premièrement, nous ne savons même pas si elles existent, même si nous savons en théorie qu'elles peuvent exister. Et deuxièmement, elles peuvent être utilisées dans des technologies comme le calcul quantique. Vous avez besoin de nouveaux types de supraconducteurs pour les nouvelles technologies."

Une étrange combinaison de propriétés dans le ditellurure d'uranium suggérait dans un premier temps qu'il pourrait s'agir de ce nouveau type de supraconducteur. Sa température critique – le degré de froid qu’il doit atteindre avant de passer à un état supraconducteur – est relativement basse, environ 2 Kelvin. Mais sa faible température critique est associée à un champ critique très élevé, la mesure du champ magnétique auquel il peut résister avant que l'état supraconducteur ne s'effondre.

"Nous nous attendrions normalement à ce qu'il résiste à un ou deux Tesla, mais il peut en supporter environ 60", a déclaré Ramshaw. "Il est près de 100 fois plus puissant que n'importe quel champ magnétique que vous rencontreriez dans la vie quotidienne. Cela nous dit qu'il y a quelque chose de bizarre, que c'est peut-être l'une de ces nouvelles saveurs de supraconductivité."

Ramshaw et ses collaborateurs voulaient savoir si le matériau possédait - comme certaines théories et expériences existantes l'avaient prédit - un paramètre d'ordre supraconducteur à plusieurs composants, entraînant des effets exotiques; ou paramètre d'ordre mono-composant, encore potentiellement exotique mais beaucoup plus contraint.

Theuss a mené une expérience utilisant des ultrasons à écho pulsé sur un échantillon de 1 millimètre sur 1 millimètre pour découvrir l'interaction entre la structure et la supraconductivité du ditellurure d'uranium. La technique mesure la vitesse d’une impulsion sonore se déplaçant à travers un matériau, selon le même principe que l’imagerie médicale par ultrasons. La différence est qu'au lieu de produire des images, les chercheurs ont mesuré la vitesse du son pour détecter le changement de rigidité du matériau à mesure qu'il refroidissait jusqu'à et au-delà de la température critique.

"Nous pouvons mesurer la distance entre les échos sonores avec une précision phénoménale. C'est le véritable pouvoir de l'expérience", a déclaré Ramshaw.

De minuscules haut-parleurs (transducteurs) attachés à l'échantillon pompaient une impulsion sonore directement dans le matériau dans trois directions différentes, mesurant à la fois trois ondes de compression et trois ondes de cisaillement :les vibrations latérales uniquement présentes dans les solides.

À la température critique, les ondes de compression ont montré une chute soudaine où la vitesse du son a chuté, comme prévu pour tous les supraconducteurs. Cependant, les ondes de cisaillement n'ont pas montré une telle chute.

"S'il s'agissait d'un des types exotiques de supraconductivité proposés par les gens, ces ondes de cisaillement auraient également connu une baisse", a déclaré Ramshaw.

Les chercheurs fournissent la preuve directe que ce matériau possède un paramètre d’ordre à un seul composant. Cette conclusion, cependant, n'apaise pas l'enthousiasme suscité par la supraconductivité du ditellurure d'uranium, qui présente de nombreux aspects intéressants qui méritent une étude plus approfondie, notamment sa répulsion extraordinairement forte au magnétisme.

L'application d'une pression ou de champs magnétiques en dessous de la température critique pourrait modifier le type de supraconductivité, peut-être même créer l'insaisissable supraconductivité triplet de spin à deux composants, a déclaré Ramshaw. L'étude actuelle fournit un point de départ basé sur des données.

"Il y a certainement plus à venir dans ce matériau. Nous venons tout juste de commencer", a déclaré Theuss, qui a travaillé avec le ditellurure d'uranium pendant une grande partie de son doctorat. candidature. "Mais si vous voulez expliquer ces choses compliquées, vous devez commencer par les faits intrinsèques de base de la supraconductivité dans l'UTe₂ ."