초전도 우라늄 디텔루라이드의 단결정의 두 가지 합성 방법의 비교

요약

여기에서, 우리는 두 가지 유형의 UTe2 결정을 합성하는 프로토콜을 제시합니다 : 화학 증기 수송 합성을 통해 강력한 초전도성을 나타내는 결정과 용융 금속 플럭스 합성을 통해 초전도성이 부족한 결정.

초록

악티니드 화합물 우라늄 디텔루라이드, UTe2의 단결정 표본은 스핀-트리플렛 전자 페어링을 수반하는 것으로 여겨지는 극적인 비전통적 초전도성의 연구 및 특성화에 매우 중요하다. 문헌에 보고된 UTe2의 초전도 특성의 다양성은 합성 방법 사이의 불일치가 초전도성의 부재를 포함하여 상이한 초전도 특성을 갖는 결정을 산출한다는 것을 나타낸다. 이 프로토콜은 화학 증기 수송을 통해 초전도성을 나타내는 결정을 합성하는 과정을 설명하며, 이는 1.6K의 초전도 임계 온도와 다중 성분 순서 매개 변수를 나타내는 이중 전이를 일관되게 나타냈다. 이것은 벌크 초전도체가 아닌 샘플을 생성하는 용융 금속 플럭스 성장 기술을 통해 결정을 합성하는 데 사용되는 두 번째 프로토콜과 비교됩니다. 결정 특성의 차이는 구조적, 화학적, 전자적 특성 측정의 비교를 통해 밝혀지며, 샘플의 저온 전기 저항에서 가장 극적인 불균형이 발생한다는 것을 보여줍니다.

서문

일반적으로 실온보다 훨씬 낮은 온도에서, 많은 물질들이 초전도성을 나타낸다 - 전기 저항이 절대적으로 제로가되고 전류가 소산없이 흐를 수있는 매혹적인 거시적 양자 상태. 전형적인 초전도 단계에서, 별개의 실체로서 작용하는 대신에, 구성 전자는 일반적으로 스핀 일중항 구성에서 반대 스핀을 갖는 두 개의 전자로 구성된 쿠퍼 쌍을 형성한다. 그러나 매우 드문 경우이지만 쿠퍼 쌍은 스핀 트리플릿 구성에서 병렬 스핀을 가진 두 개의 전자로 구성 될 수 있습니다. 지금까지 발견 된 수천 개의 초전도체 중 스핀 삼중항 후보로 확인 된 초전도체는 몇 개뿐입니다. 이 희귀 한 양자 현상은 스핀 트리플렛 초전도체가 차세대 계산 기술 인 양자 컴퓨터^1,2의 잠재적 인 빌딩 블록으로 제안되기 때문에 많은 연구 관심을 끌었습니다.

최근 Ran과 동료들은 UTe2가 후보 스핀 삼중항 초전도체³라고 보고했다. 이 초전도체는 스핀 트리플릿 구성을 나타내는 많은 이국적인 특성을 가지고 있습니다 : 초전도성을 억제하는 데 필요한 극단적이고 불균형하게 크고 중요한 자기장, 온도 독립적 인 NMR Knight ^shift3, 광학 Kerr 효과⁴로 표시된 자발적 자기 모멘트 및 스캐닝 터널링 분광법으로 표시된 키랄 전자 표면 상태⁵ . 더욱이, 추가적인 초전도 상들은 실제로 높은 자기장⁶에서 유도되는데, 이는 재진입 초전도성의 특이한 현상의 한 예이다.

이러한 새로운 결과가 강력하지만, UTe2의 초전도 특성은 상이한 그룹7,8,9에 의해 사용되는 합성 공정에 의존한다. UTe2의 결정은 화학 증기 수송 방법을 사용하여 합성되어 임계 온도 1.6 K 이하의 초전도입니다. 대조적으로, 용융 플럭스 방법을 사용하여 성장한 것들은 크게 억제된 초전도 임계 온도를 갖거나 전혀 초전도하지 않는다. 양자 컴퓨팅과 같은 응용 분야를 기대하면서 초전도가 매우 바람직하다는 결정을 안정적으로 얻는 것이 바람직합니다. 더욱이, 명목상으로 유사한 결정이 초전도가 아닌 이유를 조사하는 것은 UTe2의 근본적인 초전도 페어링 메커니즘을 이해하는 데에도 매우 도움이되며, 이는 참신하고 강렬한 연구의 주제이지만 기존의 초전도체와 크게 달라야합니다. 이러한 이유로, 두 가지 다른 합성 방법은 상보적이며 비교에 유용하다. 이 논문에서는 UTe2의 합성을위한 두 가지 다른 방법이 입증되고 두 가지 방법에서 단결정의 특성이 비교됩니다.

프로토콜

1. 우라늄 금속에서 우라늄 산화물 제거

1. 흄 후드에서 질산 1mL, 증류수 5mL, 아세톤 5mL가 들어있는 비커 3개를 준비한다.
2. 톱이나 커터를 사용하여 우라늄 금속 조각을 원하는 질량으로 자릅니다.
3. 핀셋을 사용하여 우라늄을 질산으로 비커에 넣으십시오. 산이 검은 산화 된 표면을 용해시킬 때까지 약 10 초 동안 기다렸다가 우라늄이 반짝이고 금속성으로 보이도록하십시오.
4. 산에서 우라늄 조각을 꺼내 증류수로 5 초 동안 헹구고 우라늄 조각을 제거하십시오.
5. 우라늄을 아세톤이 들어있는 비커에 넣고 5 초 동안 제거하고 제거하십시오.
6. 우라늄의 질량을 결정하십시오. 우라늄은 합성 준비가되었습니다.

2. 화학 증기 수송

1. 이전에 세척 된 우라늄의 양에 따라 적절한 양의 원소 텔루륨을 무게로 측정하고 우라늄과 텔루륨의 원자 비율이 2 : 3입니다.
2. 합성 중에 사용되는 석영 튜브의 부피에서 1 mg / ^cm3 의 원하는 밀도에 의해 결정되는 적절한 양의 요오드를 계량하십시오. 용광로에 걸쳐 튜브의 길이를 선택하고 각 끝은 온도 영역 중 하나에 앉습니다. 직경이 용광로에 잘 맞는지 확인하십시오.
   참고: 이전에 보고된 샘플³ 은 길이 11cm, 내경 14mm의 석영관에서 제조되어 요오드의 총 질량이 약 17mg이 되도록 했습니다.
3. 토치를 사용하여 융합 석영 튜브의 한쪽 끝을 닫습니다. 수소 / 산소 토치가 잘 작동합니다. 융합 된 석영을 부드럽게하기에 충분히 뜨거워지는 토치를 사용하십시오. 튜브가 식도록 하십시오.
4. 모든 재료를 석영 튜브에 넣으십시오. 건식 진공 펌프를 사용하여 튜브를 대피시키고 토치로 튜브를 밀봉하십시오.
5. 튜브를 2 구역 수평 튜브 퍼니스에 삽입하십시오. 이 작업을 수행 할 때 모든 원료를 튜브의 한쪽면으로 밀어 넣어야합니다.이 튜브는 뜨거운면이 될 것입니다.
6. 12 h 이상, 뜨거운 쪽을 1060°C로 일정한 속도로 가열하고, 반대편을 1000°C로 가열한다. 온도를 1 주일 동안 유지한 다음 용광로를 끄면 천천히 실온으로 식힐 수 있습니다.

3. 용융 금속 플럭스 성장

1. 1:3의 원자비에 따라 우라늄과 텔루륨의 무게를 측정합니다.
2. 모든 물질을 알루미나 도가니 2 mL에 넣으십시오. 이 도가니 위에 석영 양모로 채워진 또 다른 2 mL 도가니를 아래쪽을 향하게하십시오.
3. 토치를 사용하여 융합 석영 튜브의 한쪽 끝을 닫습니다. 수소 / 산소 토치가 잘 작동합니다. 융합된 석영을 부드럽게하기에 충분히 뜨거워지는 토치를 사용하십시오. 튜브가 식도록 하십시오.
4. 두 개의 도가니를 14mm 내경을 갖는 석영관에 넣으십시오. 건식 진공 펌프를 사용하여 튜브를 대피시킨 다음 토치로 튜브를 밀봉하십시오.
5. 석영관을 50 mL 알루미나 도가니에 넣어 안정성을 위해 외부 용기로 사용하십시오. 이것들을 상자 용광로에 넣으십시오.
6. 12 h에 걸쳐, 노를 일정한 속도로 1180°C로 가열한다. 온도를 5 시간 동안 유지하십시오. 용광로를 100 시간 이상 동안 975 °C까지 일정한 속도로 냉각하십시오.
7. 스윙 아웃 로터와 금속 버킷이있는 원심 분리기를 준비하십시오. 975 °C에서 퍼니스 집게를 사용하여 튜브를 꺼내어 조심스럽게 뒤집은 다음 원심 분리기에 넣으십시오. 2500 x g (이 밀폐 된 석영 튜브 어셈블리의 경우 4000 rpm)에서 10-20 초 동안 회전하여 여분의 액체 텔루륨이 UTe2 결정에서 분리되어 석영 울에 걸리게됩니다.
8. 튜브를 실온으로 식히십시오.

4. 튜브를 열고 크리스탈을 수확하기

1. 석영 튜브를 밀봉 된 비닐 봉지에 넣고 실험실 벤치 탑이나 흄 후드와 같은 단단한 표면에 놓습니다.
2. 작은 망치 또는 다른 무딘 물체를 사용하여 조심스럽게 석영 튜브를 부수고 부수고, 바람직하게는 결정에서 멀리 떨어진 끝에 있습니다.
3. 비닐 봉지를 열고 UTe2 크리스탈을 꺼냅니다. UTe2는 공기에 민감하고 몇 시간 동안 눈에 띄게 저하되므로 한 시간 정도 안에이 과정을 수행하십시오.
4. 결정을 에탄올 2mL로 헹구어 요오드를 제거합니다.
5. UTe2 결정을 질소 글로브 박스 내부와 같은 불활성 분위기 하에 보관하십시오.

결과

두 성장 기술 모두 밀리미터 길이 스케일에 치수를 갖는 UTe2의 결정을 산출한다. 크리스탈은 반짝이는 금속 광택이 있습니다. 결정 형태학은 가변적이며 상호 성장이 발생할 수 있습니다. 일반적으로 화학 증기 수송 및 플럭스 성장 결정은 유사하게 보이며 그림 1에서 알 수 있듯이 육안 검사로 쉽게 구별 할 수 없습니다.

결정 구조를 확인하기 위해, 분말 x-레이 회절 측정은 전형적으로 실온에서 성장된 CVT 및 플럭스 성장된 UTe2 단결정 둘 다의 분쇄된 단결정에 대해 수행된다. 두 성장 기술의 단결정은 동일한 결정 구조를 가지며 불순물 상이 나타나지 않는 단상입니다. 도 2는 수집된 x선 회절 데이터 및 공간군 ^Immm10을 갖는 신체 중심 정형 외과 결정 구조로의 정제를 도시한다.

전기 저항의 온도 의존성은 금속 재료를 특성화하는 전형적인 방법입니다. 도 3은 화학 증기 수송 및 플럭스 방법을 사용하여 합성된 UTe2의 샘플에 대해 상온 값으로 정규화된 전기 저항의 온도 의존성을 비교한다. 이러한 데이터는 표준 4-리드 구성을 사용하는 상업용 냉장고 시스템에서 수집되었습니다. 50K 이상에서는 두 샘플 모두 금속의 비정형 인 냉각시 전기 저항이 약간 증가한 것을 보여줍니다. 이 거동은 단일 이온 콘도 효과로 알려진 우라늄 원자 자기 모멘트에서 전도 전자의 산란에 의해 발생하는 것과 일치합니다. 두 샘플 모두에서 넓은 최대치가 나타나고, 콘도 일관성의 시작으로 인한 저항이 감소합니다.

샘플들 사이의 뚜렷한 차이점은 영 온도 한계에서의 잔류 저항 또는 저항의 값이 플럭스 방법에 의해 합성된 샘플에서 극적으로 더 크다는 것이다. 잔류 저항비 RRR 또는 상온에서의 저항 값과 잔류 저항 사이의 비는, 플럭스 성장 샘플에 대해 대략 2이고, 이는 화학 증기 수송 샘플의 RRR 값보다 약 15배 더 작다. 플럭스 성장된 샘플의 크게 감소된 RRR은 플럭스 성장 샘플에 더 많은 결정학적 불순물 또는 결함이 있다는 것을 나타내며, 이는 전도 전자의 더 강한 산란을 담당하고, 따라서 더 높은 잔류 저항을 담당한다. 이러한 값은 이전 보고서⁷과 일치합니다.

더 극적인 차이점은 플럭스 성장 샘플이 초전도가 아니라는 것입니다. 일반적으로, 불순물 및 결함의 존재는 증가된 산란이 초전도성의 기초가 되는 전자 짝짓기 상호작용을 약화시키기 때문에 초전도성에 해롭다. 장애의 효과는 UTe2에서 훨씬 더 뚜렷할 수 있으며, 여기서 초전도성은 쌍 파단에 일반적으로 더 민감한 비정상적인 스핀 삼중항 다양성의 것으로 여겨진다11,12,13,14,15,16,17,18,19. UTe2의 초전도성에 대한 장애 및 화학의 영향은 아직 초기 단계에 있으며 현재 활발한 연구 분야입니다.

DC 자기 감수성, 또는 자화가 적용된 분야로 정규화된, 플럭스 성장 및 CVT 성장 UTe2 둘 다의 _UTe2는 매우 유사하게 보인다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상용 SQUID 자력계에서 1000 Oe에서 데이터가 수집된 경우, 고온 자기 감수성은 샘플의 결정학적 a축을 따라 자기장이 인가될 때 상자성 반응을 나타낸다. 저온에서 자기 감수성은 급격히 증가한 다음 ~ 10K에서 약간의 기울기 변화를 나타내며, 이는 콘도 일관성으로 인한 것일 수 있습니다. 두 샘플의 자기 감수성 곡선 간의 차이는 작으며 약간의 표본 정렬 불량으로 인해 두 샘플을이 측정에 구별 할 수 없게합니다.

도 1: UTe2의 단결정 사진. (A) 플럭스 성장 및 (B-C) CVT 성장. 격자는 1mm입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

도 2: 성장한 UTe2의 CVT의 분말 Xray 회절 데이터. 데이터는 불순물로부터 가시적인 피크가 없는 샘플의 양호한 품질을 보여준다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: CVT 성장 및 플럭스 성장 UTe2에 대한 온도의 함수로서 정규화된 전기 저항 데이터. 플럭스 성장된 샘플은 실질적으로 더 큰 잔류 저항성을 가지며, 이는 증가된 결정학적 장애의 시그니처이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: CVT 성장 및 플럭스 성장 UTe2 모두에 대한 온도의 함수로서 적용된 자기장으로 정규화된 자기 감수성 또는 자화. 샘플은 약 10K에서 특징적인 꼬임을 포함하여 유사한 동작을 보여줍니다. 자기장 H = 1000 Oe는 결정학적 a축에 평행하게 인가된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

토론

화학 증기 수송을 수행하려면 두 구역을 서로 다른 온도로 설정하여 온도 구배를 생성 할 수있는 두 구역 수평 용광로를 사용하는 것이 가장 간단합니다. 초전도 샘플을 성장시키기 위해 단일 구역 용광로를 성공적으로 사용하는 것은 아직 입증되지 않았습니다. 출발 재료는 융합 된 석영 튜브에 수소 - 산소 토치로 밀봉되며, 이는 공기를 제거해야합니다. 퍼징 및 밀봉은 튜브를 건식 펌프 및 아르곤 가스 실린더에 부착 된 매니폴드에 연결하여 수행 할 수 있습니다. 일단 준비되면,이 튜브는 튜브의 두 끝이 두 온도 영역에 걸쳐 있도록 용광로에 배치됩니다. UTe2의 경우에, 출발 물질을 함유하는 튜브의 끝단은 핫 엔드에 배치된다. 원소 우라늄과 텔루륨은 요오드와 반응하여 증기로 튜브를 따라 내려 가며 결국 차가운 끝에서 석영 튜브를 단결정 형태로 응고시킵니다. 일반적으로 큰 결정의 성장은 물질에 의존적이며 몇 주가 걸릴 수 있습니다. UTe2의 경우, mm 치수로 크리스탈을 성장시키기에 7 일이면 충분합니다. 성장 후, 튜브는 용광로에서 제거되고 결정을 수확하기 위해 열립니다.

용탕 자기 플럭스 방법은 하나의 온도 영역을 가진 간단한 저항 상자로를 필요로합니다. 우라늄은 녹은 텔루륨에 용해되며, UTe2의 용해도는 온도에 따라 달라집니다. 출발 물질, 원소 우라늄 및 텔루륨은 알루미나 도가니에 배치됩니다. 이 도가니 위에는 두 번째 도가니가 거꾸로 놓여 석영 양모로 채워져 있습니다. 두 개의 도가니는 석영 튜브에 밀봉되어 상자 용광로에 보관됩니다. 이때, 거리에 걸쳐 고정된 온도 구배를 생성하는 대신, 퍼니스가 고정된 속도로 서서히 냉각됨에 따라 온도는 시간의 함수로서 변화한다. 가장 높은 온도에서 모든 우라늄은 우라늄보다 훨씬 낮은 용융 온도를 갖는 액체 텔루륨에 용해됩니다. 노가 냉각됨에 따라 UTe2의 용해도가 감소하고 _UTe2 단결정이 석출되어 커집니다. 충분히 큰 UTe2 단결정을 생성할만큼 충분히 낮지 만 텔루륨이 액체로 남아있을 정도로 충분히 높은 온도에서 석영관을 고온로에서 제거하고 원심 분리기에 넣고 회전시켜 고체 UTe2를 액체 텔루륨에서 분리합니다. 그 후, 튜브는 결정을 수집하기 위해 부서지기 전에 실온으로 냉각됩니다.

고갈 된 우라늄으로 작업하는 것은 관련 법률에 대한 인식과 준수가 필요한 심하게 규제 된 활동입니다. 적용 가능한 모든 지역 유해 및 방사성 물질 안전 규칙을 준수하고이 작업을 수행하는 데 필요한 허가를 확보하십시오. 이러한 규칙은 관할권 및 기관에 따라 다르며 여기에서 해결할 수 없습니다. 그러나 연구 계획에 도움이 될 수있는 몇 가지 일반적인 원칙이 적용됩니다. 연구원은 방사성 및 유해 물질로 작업하도록 훈련받아야합니다. 장갑을 포함하여 필요한 개인 보호 장비를 착용하십시오. 체계적으로 작업하고 방사성 물질의 확산을 피하기 위해주의를 기울이십시오. 라벨이 부착되고 승인된 용기에 폐기물을 버리십시오.

자료

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