El ditelururo de uranio parece ser un superconductor de tipo triplete

Por Francisco R. Villatoro, el 28 noviembre, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science

Anderson propuso en 1984 que los superconductores de fermiones pesados basados en compuestos de uranio podrían ser superconductores de tipo triplete; los espines de los electrones 5f de los pares de Cooper apuntarían en la misma dirección, con lo que su espín total sería la unidad. El pasado agosto se publicó en Science  que el ditelururo de uranio (UTe2) se comporta como un superconductor de tipo triplete con una temperatura crítica de Tc = 1.6 kelvin. Gracias a ello puede soportar enormes campos magnéticos en la dirección [010], aunque se reduce su temperatura crítica; en los experimentos, se alcanzaron 20 teslas con Tc ≈ 1 K, y se estiman más de 40 teslas en el límite Tc → 0; parece que la temperatura crítica decrece un kelvin por cada incremento de 17 teslas. Además, como todo superconductor de tipo triplete también sería un superconductor topológico, lo que promete muchas aplicaciones en computación cuántica robusta, además de aplicaciones específicas en espintrónica.

El cristal de UTe2  cristaliza en un estructura centrosimétrica ortorrómbica con los átomos de uranio alineados en cadenas paralelas orientadas en el eje a = [100]; esta dirección es su eje fácil  (en el que un pequeño campo aplicado satura la magnetización). No presenta un orden magnético, pero a baja temperatura se comporta como un superconductor que soporta grandes campos magnéticos a lo largo del eje b = [010]. Las medidas por resonancia magnética nuclear, que permiten explorar por separado cada espín de los electrones en los pares de Cooper, apuntan a que su estado es de tipo triplete. Sin embargo, se necesita una confirmación más firme para asegurar que el UTe2  es realmente un superconductor de tipo triplete. Por fortuna desde agosto se han publicado varios artículos independientes que también apuntan a ello.

Los artículos citados son Sheng Ran, Chris Eckberg, …, Nicholas P. Butch, “Nearly ferromagnetic spin-triplet superconductivity,” Science 365: 684-687 (16 Aug 2019), doi: https://doi.org/10.1126/science.aav8645 [UMD, PDF]; Sheng Ran, I-Lin Liu, …, Nicholas P. Butch, “Extreme magnetic field-boosted superconductivity,” Nature Physics (07 Oct 2019), doi: https://doi.org/10.1038/s41567-019-0670-xarXiv:1905.04343 [cond-mat.supr-con] (10 May 2019); Tristin Metz, Seokjin Bae, …, Johnpierre Paglione, “Point Node Gap Structure of Spin-Triplet Superconductor UTe2,” arXiv:1908.01069 [cond-mat.supr-con] (02 Aug 2019); recomiendo leer la siguiente pieza del primer autor Sheng Ran, “Unboxing a New Spin-Triplet Superconductor,” Taking measure, NIST blog, 19 Nov 2019.

También cito a Genki Nakamine, Shunsaku Kitagawa, …, Dai Aoki, “Superconducting Properties of Heavy Fermion UTe2 Revealed by 125Te-nuclear Magnetic Resonance,” Journal of the Physical Society of Japan 88: 113703 (17 Oct 2019), doi: https://doi.org/10.7566/JPSJ.88.113703; Lin Miao, Shouzheng Liu, …, L. Andrew Wray, “Low energy band structure and symmetries of UTe2 from angle resolved photoemission spectroscopy,” arXiv:1911.10152 [cond-mat.str-el] (22 Nov 2019); y Philip W. Anderson, Premio Nobel de Física de 1977, es P. W. Anderson, “Heavy-electron superconductors, spin fluctuations, and triplet pairing,” Phys. Rev. B 30: 1549-1550 (1984), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.30.1549.

Una propiedad sorprendente del UTe2  es la superconductividad reentrante: como en todo superconductor, cuando se aplica un campo magnético superior a cierto campo crítico desaparece la superconductividad, sin embargo, en este material, si se incrementa el campo acaba reapareciendo la superconductividad. La razón es la aparición de un campo magnético interno en sentido opuesto al campo magnético aplicado que lo compensa en parte.

Esta figura muestra el comportamiento observado. Para un campo magnético más o menos en el eje b = [010] se destruye la superconductividad a unas 15.8 T (teslas). El campo crítico es muy sensible al alineamineto y para  desviaciones menores de 5º respecto al eje b se logra alcanzar un campo crítico de 34.5 T, pero reduciendo la temperatura crítica a 0.35 K. Esta superconductividad inducida por el campo magnético es habitual en los superconductores ferromagnéticos, pero el UTe2  no lo es. De hecho, no se conoce su mecanismo exacto en este material.

Lo más sorprendente es que si se aplica un campo magnético en el eje c = [001], con lo que el campo total está inclinado respecto al eje b, resulta que la superconductividad reaparece y se pueden alcanzar hasta 65 T. Estos resultados publicados por Ran y sus colegas en Nature Physics muestran la aparición de superconductividad reentrante que podría tener su origen en la superconductor de tipo triplete. La existencia de dos fases superconductoras, una a bajos campos magnéticos y otra a altos campos magnéticos convierte al UTe2  en un material realmente único.

Para verificar que el UTe2  es un superconductor de tipo triplete hay que realizar medidas por resonancia magnética nuclear (NMR). Las medidas para el 125Te publicadas por Nakamine y sus colegas en la revista Journal of the Physical Society of Japan  muestran que la susceptibilidad de espín decrece por debajo de la temperatura crítica; pero la magnitud del decremento es más pequeña de lo que se espera para un par de Cooper en estado singlete; así se interpreta el resultado como prueba de que los pares de Cooper se encuentran en estado triplete. Se necesitan medidas más precisas con NMR para lograr una confirmación definitiva.

Las medidas de precisión de la estructura de bandas del UTe2  usando espectroscopia ARPES (Angle Resolved PhotoEmission Spectroscopy) también apuntan a que se trata de un superconductor de tipo triplete. Miao y sus colegas han publicado en arXiv medidas con ARPES de muy alta resolución que muestran la existencia de dos bandas cuasi-unidimensionales en el nivel de Fermi asociadas a las cadenas alineadas de átomos de uranio y telurio. La interpretación de estos resultados usando simulaciones teóricas mediante la teoría del funcional densidad favorecen la hipótesis de que su origen es el espín unidad de los pares de Cooper en estado triplete. De nuevo, no se trata de resultados del todo concluyentes y se necesitan más medidas independientes.

En resumen, hay muchos indicios (pruebas) de que el ditelururo de uranio es un superconductor de tipo triplete, pero aún no tenemos evidencias (pruebas definitivas). Si se lograran en un futuro no muy lejano, se trataría de un superconductor topológico que propagaría cuasipartículas de Majorana; el descubrimiento de éstas últimas convertiría a este material en uno de los más prometedores para los futuros computadores cuánticos topológicos. Un resultado revolucionario donde los haya. Crucemos los dedos.



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