超伝導ジテルル化ウラン単結晶の合成方法の比較

要約

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。

要約

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。

概要

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。

プロトコル

1. ウラン金属からの酸化ウランの除去

1. ヒュームフードに、それぞれ1mLの硝酸、5mLの蒸留水、および5mLのアセトンを含む3つのビーカーを準備する。
2. のこぎりまたはカッターを使用して、ウラン金属片を所望の質量に切断する。
3. ピンセットを使用して、硝酸でウランをビーカーに入れます。ウランが光沢のある金属に見えるように、酸が黒く酸化された表面を溶解するまで約10秒待ちます。
4. 酸からウラン片を取り出し、蒸留水で5秒間すすぎ、ウラン片を取り除きます。
5. アセトンを入れたビーカーにウランを5秒間入れて取り出します。
6. ウランの質量を求める。ウランは合成の準備ができている。

2. 化学蒸気輸送

1. ウランとテルルの原子比が2:3になるように、以前に洗浄したウランの量に応じて、適量の元素テルルを計量する。
2. 合成時に使用する石英管の体積で1mg/^cm3 の所望の密度によって決定される適量のヨウ素を秤量する。炉にまたがるチューブの長さを選択し、各端を温度ゾーンの1つに配置します。直径が炉によく収まることを確認します。
   注:以前に報告されたサンプル³ は、ヨウ素の総質量が約17mgになるように、長さ11cm、内径14mmの石英管で作られました。
3. トーチを使用して溶融石英管の一方の端を閉じます。水素/酸素トーチはうまく機能します。溶融石英を柔らかくするのに十分なほど熱くなるトーチを使用してください。チューブを冷まします。
4. すべての材料を石英管に入れます。ドライ真空ポンプを使用してチューブを排気し、チューブをトーチで密封します。
5. チューブを2ゾーン水平チューブ炉に挿入します。これを行うときは、すべての原材料をチューブの片側(熱い側)にスライドさせるようにしてください。
6. 12時間かけて、高温側を1060°Cまで一定速度で加熱し、反対側を1000°Cに加熱する。 温度を1週間保持し、炉の電源を切ってゆっくりと室温まで冷却します。

3. 溶湯フラックスの成長

1. ウランとテルルを原子比1:3で秤量する。
2. すべての材料を2mLアルミナるつぼに入れる。このるつぼの上に、石英ウールで満たされた別の2mLのるつぼを下向きに置きます。
3. トーチを使用して溶融石英管の一方の端を閉じます。水素/酸素トーチはうまく機能します。溶融石英を柔らかくするのに十分なほど熱くなるトーチを使用してください。チューブを冷まします。
4. 2つのるつぼを内径14mmの石英管に入れます。ドライ真空ポンプを使用してチューブを排気し、チューブをトーチで密封します。
5. 石英管を50mLアルミナるつぼに入れ、安定性のために外装容器として使用する。これらを箱型炉に入れます。
6. 12時間かけて、炉内を一定速度で1180°Cまで加熱する。 温度を5時間保持します。炉内を975°Cまで一定速度で100時間以上冷却する。
7. スイングアウトローターと金属製のバケツを備えた遠心分離機を準備します。975°Cで、炉のトングを使ってチューブを取り出し、慎重に反転させてから遠心分離機に入れます。2500 x g(これらの密閉された石英管アセンブリの場合は4000 rpm)で10〜20秒間スピンし、余分な液体テルルをUTe2結晶から分離させ、石英ウールに捕捉させます。
8. チューブを室温まで冷却します。

4.チューブを開けてクリスタルを収穫する

1. 石英管を密閉されたビニール袋に入れ、実験室のベンチトップやヒュームフードなどの硬い表面に置きます。
2. 小さなハンマーまたは他の鈍い物体を使用して、石英管を慎重に亀裂を入れて壊し、好ましくは結晶から離れた端に壊します。
3. ビニール袋を開け、UTe2クリスタルを取り出します。UTe2は空気に敏感で、数時間にわたって著しく劣化するため、このプロセスを₁時間以内で実行してください。
4. 結晶を2mLのエタノールですすぎ、ヨウ素を除去した。
5. UTe2結晶を窒素グローブボックス内などの不活性雰囲気下に保管してください。

結果

両方の成長技術は、ミリメートル長スケールの寸法を有する_UTe2 の結晶を生じる。クリスタルは光沢があり、金属光沢があります。結晶形態は可変であり、連晶が起こり得る。一般に、化学蒸気輸送とフラックス成長結晶は類似しており、 図1で明らかなように、目視検査では容易に区別できません。

結晶構造を確認するために、粉末X線回折測定は、通常、室温でCVT成長およびフラックス成長UTe2単結晶の両方の破砕単結晶に対して行われる。両方の成長技術からの単結晶は、同じ結晶構造を有し、不純物相の徴候のない単相である。図2は、収集したX線回折データと、空間群^Immm10による体心斜方晶系結晶構造への微細化を示す。

電気抵抗の温度依存性は、金属材料を特徴付ける典型的な方法です。図3は、化学蒸気輸送およびフラックス法を用いて合成されたUTe2のサンプルについて、室温値に正規化された電気抵抗の温度依存性を比較する。これらのデータは、標準的な4ピン構成を使用する市販の冷蔵庫システムで収集されました。50Kを超えると、両方のサンプルは冷却時の電気抵抗のわずかな増加を示し、これは金属の非定型である。この挙動は、単一イオン近藤効果として知られるウラン原子磁気モーメントからの伝導電子の散乱によって生じる挙動と一致している。両方のサンプルで広い最大値が見られ、続いて近藤コヒーレンスの発症による抵抗の低下が見られます。

サンプル間の明確な違いは、残留抵抗の値、またはゼロ温度限界における抵抗の値が、フラックス法によって合成されたサンプルで劇的に大きいことです。残留抵抗率RRR、または室温での抵抗値と残留抵抗との比は、フラックス成長サンプルに対して約2であり、これは化学蒸気輸送サンプルのRRR値よりも約15倍小さい。フラックス成長サンプルのRRRが大幅に低下したことは、フラックス成長サンプル中に結晶学的不純物または欠陥が多く、伝導電子のより強い散乱の原因となり、したがって残留抵抗が高いことを示しています。これらの値は、以前のレポート⁷と一致しています。

より劇的な違いは、フラックス成長サンプルが超伝導しないことです。一般に、不純物や欠陥の存在は、散乱の増加が超伝導の根底にある電子対形成相互作用を弱めるため、超伝導に有害である。無秩序の影響はUTe2でさらに顕著になる可能性があり、超伝導は一般に対の破れに対してより敏感な異常なスピン三重項多様体であると考えられている11,12,13,14,15,16,17,18,19。UTe2の超伝導に対する無秩序と化学の影響はまだ初期段階にあり、現在活発な研究分野です。

_UTe2の成長磁束とCVTの両方のDC磁化率、または印加磁場に正規化された磁化は非常によく似ています。市販のSQUID磁力計で1000Oeでデータを収集した図4に示すように、高温磁化率は、試料の結晶学的a軸に沿って磁界を印加したときの常磁性応答を示す。低温では、磁化率は急激に増加し、その後、近藤コヒーレンスに起因する可能性が高い〜10Kでわずかな傾き変化を示す。2つのサンプルの磁化率曲線の差は小さく、サンプルのわずかなミスアライメントに起因するため、2つのサンプルはこの測定では区別がつきません。

図1:UTe2の単結晶の写真(A)成長したフラックスおよび(B-C)CVT成長させた。グリッドは 1 mm です。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:CVT成長UTe2の粉末X線回折データ。データは、不純物から目に見えるピークのないサンプルの良質を示しています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:CVT成長と磁束成長UTe2の両方の温度関数としての正規化された電気抵抗データ。フラックス成長サンプルは、実質的により大きな残留抵抗を有し、これは結晶学的障害の増加の徴候である。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:磁化率、または印加磁場に正規化された磁化、CVT成長と磁束成長UTe2の両方の温度関数として。 サンプルも同様の挙動を示し、約10Kで特徴的なキンクを含む。磁場H=1000Oeが結晶学的なa軸に平行に印加される。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

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。

資料

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