Süper İletken Uranyum Ditellüridin Tek Kristallerinin İki Farklı Sentez Yönteminin Karşılaştırılması

Özet

Burada, iki tip UTe2 kristalini sentezlemek için bir protokol sunuyoruz: kimyasal buhar taşıma sentezi yoluyla sağlam süper iletkenlik sergileyenler ve erimiş metal akı sentezi yoluyla süper iletkenlikten yoksun olanlar.

Özet

Aktinit bileşiği uranyum ditellüridin tek kristal örnekleri, UTe2, spin-üçlü elektron eşleşmesini gerektirdiğine inanılan dramatik geleneksel olmayan süperiletkenliğinin incelenmesi ve karakterizasyonu için büyük önem taşımaktadır. Literatürde bildirilen UTe2'nin süperiletken özelliklerindeki çeşitlilik, sentez yöntemleri arasındaki tutarsızlıkların, süperiletkenliğin tamamen yokluğu da dahil olmak üzere farklı süperiletken özelliklere sahip kristaller verdiğini göstermektedir. Bu protokol, kimyasal buhar taşınması yoluyla süper iletkenlik sergileyen kristalleri sentezleme işlemini tanımlar; bu, sürekli olarak 1.6 K'lık bir süper iletken kritik sıcaklık ve çok bileşenli bir sipariş parametresinin göstergesi olan bir çift geçiş sergilemiştir. Bu, kristalleri erimiş metal akı büyüme tekniği ile sentezlemek için kullanılan ve toplu süper iletken olmayan numuneler üreten ikinci bir protokolle karşılaştırılır. Kristal özelliklerindeki farklılıklar, yapısal, kimyasal ve elektronik özellik ölçümlerinin karşılaştırılmasıyla ortaya çıkar ve en dramatik eşitsizliğin numunelerin düşük sıcaklıktaki elektrik direncinde meydana geldiğini gösterir.

Giriş

Tipik olarak oda sıcaklığından çok daha düşük sıcaklıklarda, birçok malzeme süper iletkenlik sergiler - elektrik direncinin kesinlikle sıfır olduğu ve elektrik akımının dağılmadan akabileceği büyüleyici makroskopik kuantum durumu. Tipik süperiletken fazda, ayrı varlıklar olarak hareket etmek yerine, kurucu elektronlar, genellikle zıt spinlere sahip iki elektrondan oluşan Cooper çiftlerini bir spin singlet konfigürasyonunda oluşturur. Bununla birlikte, çok nadir durumlarda, Cooper çiftleri bunun yerine, bir spin üçlü konfigürasyonunda, paralel spinlere sahip iki elektrondan oluşabilir. Şimdiye kadar keşfedilen birkaç bin süperiletken arasında, spin üçlü adayı olarak tanımlanan sadece birkaç süperiletken vardır. Bu nadir kuantum fenomeni çok fazla araştırma ilgisini çekmiştir, çünkü spin üçlü süperiletkenlerin, yeni nesil hesaplama teknolojisi olan kuantum bilgisayarları için potansiyel bir yapı taşı olduğu ^{önerilmektedir1,2}.

Son zamanlarda, Ran ve iş arkadaşları _UTe2'nin aday spin üçlü ^{süperiletken3} olduğunu bildirdi. Bu süperiletken, spin üçlü konfigürasyonunun göstergesi olan birçok egzotik özelliğe sahiptir: süperiletkenliği bastırmak için gereken aşırı, orantısız büyüklükte, kritik bir manyetik alan, sıcaklıktan bağımsız bir NMR Şövalyesi ^kayması3, optik Kerr etkisi ile gösterilen spontan bir manyetik ^moment4 ve tarama tünelleme spektroskopisi ile gösterilen kiral elektronik yüzey ^durumu5 . Dahası, ek süperiletken fazlar aslında yüksek manyetik ^alanda6 indüklenir, bu da reentrant süperiletkenliğin olağandışı fenomeninin bir örneğidir.

Bu yeni sonuçlar sağlam olmasına rağmen, UTe2'nin süper iletken özellikleri_, farklı gruplar tarafından kullanılan sentez sürecine bağlıdır7,8,9. Kimyasal buhar taşıma yöntemi kullanılarak sentezlenen _UTe2 kristalleri, 1.6 K'lık kritik bir sıcaklığın altında süper iletkendir. Buna karşılık, erimiş akı yöntemi kullanılarak yetiştirilenler, büyük ölçüde bastırılmış bir süper iletken kritik sıcaklığa sahiptir veya hiç süperiletken değildir. Kuantum hesaplama gibi uygulamaların beklentisiyle, süper iletkenliğin son derece arzu edildiği kristalleri güvenilir bir şekilde elde etmek. Dahası, nominal olarak benzer kristallerin neden süperiletken olmadığını araştırmak, UTe2'deki temel süperiletken eşleştirme mekanizmasını anlamak için de çok yararlıdır; bu, yeni ve yoğun bir araştırma konusu olsa da, geleneksel süperiletkenlerinkinden önemli ölçüde farklı olmalıdır. Bu nedenlerden dolayı, iki farklı sentez yöntemi birbirini tamamlayıcı ve karşılaştırmak için yararlıdır. Bu yazıda, UTe2 sentezi için iki farklı yöntem gösterilmekte ve tek kristallerin iki yöntemden özellikleri karşılaştırılmıştır.

Protokol

1. Uranyum metalinden uranyum oksitin çıkarılması

1. Bir duman davlumbazında, sırasıyla 1 mL nitrik asit, 5 mL damıtılmış su ve 5 mL aseton içeren üç beher hazırlayın.
2. Bir testere veya kesici kullanarak, bir parça uranyum metalini istenen kütleye kesin.
3. Cımbız kullanarak, uranyumu nitrik asitle beherin içine yerleştirin. Asidin siyah oksitlenmiş yüzeyi çözmesi için yaklaşık 10 s bekleyin, böylece uranyum parlak ve metalik görünür.
4. Uranyum parçasını asitten çıkarın, 5 s boyunca damıtılmış suda durulayın ve ardından uranyum parçasını çıkarın.
5. Uranyumu 5 s boyunca aseton içeren beherin içine koyun ve çıkarın.
6. Uranyum kütlesini belirleyin. Uranyum sentez için hazırdır.

2. Kimyasal buhar taşıma

1. Daha önce temizlenmiş uranyum miktarına bağlı olarak, uranyumun atomik oranını 2:3'lük tellüryuma takiben, uygun miktarda elementel tellürü tartın.
2. Sentez sırasında kullanılacak kuvars tüpünün hacminde istenen 1 mg/^cm3 yoğunluğu ile belirlenen uygun miktarda iyotu tartın. Fırını yaymak için tüpün bir uzunluğunu seçin, her bir ucu sıcaklık bölgelerinden birinde oturur. Çapın fırına iyi oturduğundan emin olun.
   NOT: Daha önce bildirilen ^numuneler3 , 11 cm uzunluğunda, 14 mm iç çapa sahip bir kuvars tüpte yapılmıştır, böylece toplam iyot kütlesi yaklaşık 17 mg'dır.
3. Bir meşale kullanarak kaynaşmış bir kuvars tüpünün bir ucunu kapatın. Bir hidrojen/oksijen meşalesi iyi çalışır. Kaynaşmış kuvarsı yumuşatmak için yeterince ısınan herhangi bir meşale kullanın. Tüpün soğumasını bekleyin.
4. Tüm malzemeleri kuvars tüpe koyun. Tüpü kuru bir vakum pompası kullanarak boşaltın ve tüpü meşale ile kapatın.
5. Tüpü 2 bölgeli yatay borulu bir fırına yerleştirin. Bunu yaparken, tüm hammaddeleri sıcak taraf olacak olan tüpün bir tarafına kaydırdığınızdan emin olun.
6. 12 saatin üzerinde, sıcak tarafı 1060 ° C'ye ve diğer tarafı 1000 ° C'ye sabit oranlarda ısıtın. Sıcaklıkları 1 hafta boyunca tutun ve ardından oda sıcaklığına yavaşça soğumasını sağlamak için fırını kapatın.

3. Erimiş metal akı büyümesi

1. Uranyum ve tellüryumu 1:3 atom oranına göre tartın.
2. Tüm malzemeleri 2 mL alümina potaya koyun. Bu potanın üzerine, aşağı bakacak şekilde kuvars yünü ile doldurulmuş 2 mL pota daha yerleştirin.
3. Bir meşale kullanarak kaynaşmış bir kuvars tüpünün bir ucunu kapatın. Bir hidrojen/oksijen meşalesi iyi çalışır. Kaynaşmış kuvarsı yumuşatmak için yeterince ısınan herhangi bir meşale kullanın. Tüpün soğumasını bekleyin.
4. İki potayı 14 mm iç çapa sahip bir kuvars tüpe yerleştirin. Tüpü tahliye etmek için kuru bir vakum pompası kullanın ve ardından tüpü meşale ile kapatın.
5. Kuvars tüpü, stabilite için dış kap olarak kullanılmak üzere 50 mL'lik bir alümina potasına koyun. Bunları bir kutu fırına yerleştirin.
6. 12 saatten fazla bir süredir, fırını sabit bir oranda 1180 ° C'ye ısıtın. Sıcaklığı 5 saat tutun. Fırını sabit hızda 975 °C'ye kadar 100 saatten fazla soğutun.
7. Salınımlı rotorlu ve metal kovalı bir santrifüj hazırlayın. 975 ° C'de, fırın maşalarını kullanarak tüpü çıkarın, dikkatlice ters çevirin ve ardından santrifüje koyun. 10-20 s için 2500 x g'de (bu sızdırmaz kuvars tüp düzenekleri için 4000 rpm) döndürün, ekstra sıvı tellüryumu UTe2 kristallerinden ayrılmaya ve kuvars yününe yakalanmaya zorlayın.
8. Tüpün oda sıcaklığına soğumasını bekleyin.

4. Tüplerin açılması ve kristallerin toplanması

1. Kuvars tüpü kapalı bir plastik torbaya yerleştirin ve laboratuvar tezgahı veya duman davlumbaz gibi sert bir yüzeye yerleştirin.
2. Küçük bir çekiç veya başka bir künt nesne kullanarak, kuvars tüpünü, tercihen sonunda kristallerden uzakta dikkatlice kırın ve kırın.
3. Plastik torbayı açın ve UTe2 kristallerini seçin. Bu işlemi bir saat içinde gerçekleştirin, çünkü UTe2 havaya duyarlıdır ve birkaç saat içinde gözle görülür şekilde bozulur.
4. İyotu çıkarmak için kristalleri 2 mL etanol ile durulayın.
5. UTe2 kristallerini azot torpido gözü gibi inert bir atmosfer altında saklayın.

Sonuçlar

Her iki büyüme tekniği de milimetre uzunluk ölçeğinde boyutlara sahip _UTe2 kristalleri verir. Kristaller metalik bir parlaklık ile parlaktır. Kristal morfolojisi değişkendir ve iç içe geçmeler meydana gelebilir. Genel olarak, kimyasal buhar taşınması ve akı yetiştirilen kristaller benzer görünür ve Şekil 1'de görüldüğü gibi görsel inceleme ile kolayca ayırt edilemez.

Kristal yapısını doğrulamak için, toz x-ışını kırınım ölçümleri tipik olarak oda sıcaklığında hem CVT yetiştirilen hem de akı ile yetiştirilen UTe2 tek kristallerinin ezilmiş tek kristalleri üzerinde gerçekleştirilir. Her iki büyüme tekniğinden gelen tek kristaller aynı kristal yapısına sahiptir ve safsızlık fazı belirtisi olmadan tek fazlıdır. Şekil 2, toplanan x-ışını kırınım verilerini ve ^Immm10 uzay grubu ile vücut merkezli bir ortorombik kristal yapıya yapılan bir arıtmayı göstermektedir.

Elektrik direncinin sıcaklığa bağımlılığı, metalik malzemeleri karakterize etmenin tipik bir yoludur. Şekil 3, kimyasal buhar taşıma ve akı yöntemleri kullanılarak sentezlenen UTe2 numuneleri için oda sıcaklığı değerine normalleştirilmiş elektrik direncinin sıcaklığa bağımlılığını karşılaştırmaktadır. Bu veriler, standart bir 4 uçlu konfigürasyon kullanılarak ticari bir buzdolabı sisteminde toplanmıştır. 50 K'nın üzerinde, her iki numune de metallerin atipik olan soğutma sırasında elektrik direncinde hafif bir artış göstermektedir. Bu davranış, tek iyon Kondo etkisi olarak bilinen uranyum atomik manyetik momentlerinden iletim elektronlarının saçılmasının neden olduğu davranışla tutarlıdır. Her iki örnekte de geniş bir maksimum, ardından Kondo tutarlılığının başlaması nedeniyle dirençte bir düşüş görülür.

Numuneler arasındaki belirgin bir fark, artık direncin değerinin veya sıfır sıcaklık sınırındaki direncin değerinin, akı yöntemiyle sentezlenen numunede önemli ölçüde daha büyük olmasıdır. Artık direnç oranı RRR veya oda sıcaklığındaki direnç değeri ile artık direnç arasındaki oran, kimyasal buhar taşıma numunesinin RRR değerinden yaklaşık 15 kat daha küçük olan akı yetiştirilen numune için yaklaşık 2'dir. Akı yetiştirilen numunenin büyük ölçüde azaltılmış RRR'si, akı yetiştirilen numunede, iletim elektronlarının daha güçlü saçılmasından ve dolayısıyla daha yüksek artık dirençten sorumlu olan daha kristalografik safsızlıklar veya kusurlar olduğunu gösterir. Bu değerler önceki raporlarla ^{tutarlıdır7}.

Daha dramatik bir fark, akı yetiştirilen numunelerin süper iletken olmamasıdır. Genel olarak, safsızlıkların ve kusurların varlığı süperiletkenliğe zararlıdır, çünkü artan saçılma, süperiletkenliğin altında yatan elektron eşleştirme etkileşimini zayıflatır. Bozukluğun etkileri, süperiletkenliğin genellikle çift kırılmasına daha duyarlı olan olağandışı spin üçlü çeşidinde olduğuna inanılan UTe2'de daha da belirgin ^{olabilir11,12,13,14,15,16,17,18,19}. UTe2'de bozukluk ve kimyanın süperiletkenlik üzerindeki etkileri hala ilk günlerdedir ve şu anda aktif bir çalışma alanıdır.

Hem akı yetiştirilen hem de CVT tarafından yetiştirilen UTe2'nin DC manyetik duyarlılığı veya uygulanan alana normalleştirilmiş mıknatıslanma çok benzer görünüyor. Verilerin ticari bir SQUID manyetometresinde 1000 Oe'de toplandığı Şekil 4'te gösterildiği gibi, yüksek sıcaklıktaki manyetik duyarlılık, manyetik alan numunelerin kristalografik a ekseni boyunca uygulandığında paramanyetik bir tepki gösterir. Düşük sıcaklıklarda, manyetik duyarlılık keskin bir şekilde artar ve daha sonra muhtemelen Kondo tutarlılığı nedeniyle ~ 10 K'da hafif bir eğim değişikliği gösterir. İki numunenin manyetik duyarlılık eğrileri arasındaki fark küçüktür ve hafif numune yanlış hizalamasına atfedilebilir, bu da iki numuneyi bu ölçümle ayırt edilemez hale getirir.

Resim 1: UTe2'nin tek kristallerinin fotoğrafları. (A) akı büyüdü ve (B-C) CVT büyüdü. Izgaralar 1 mm'dir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: CVT tarafından yetiştirilen UTe2'nin toz Xışını kırınım verileri. Veriler, safsızlıklardan görünür pikler olmadan numunenin iyi kalitesini göstermektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Hem CVT yetiştirilen hem de akı yetiştirilen UTe2 için sıcaklığın bir fonksiyonu olarak normalleştirilmiş elektrik direnci verileri. Akı ile yetiştirilen numune, artmış kristalografik bozukluğun bir imzası olan önemli ölçüde daha büyük bir kalıntı dirence sahiptir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Hem CVT yetiştirilen hem de akı yetiştirilen UTe2 için sıcaklığın bir fonksiyonu olarak uygulanan manyetik alana normalleştirilmiş manyetik duyarlılık veya mıknatıslanma. Örnekler, yaklaşık 10 K'da karakteristik bir bükülme de dahil olmak üzere benzer davranışlar göstermektedir. Bir manyetik alan H = 1000 Oe, kristalografik a eksenine paralel olarak uygulanır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tartışmalar

Kimyasal buhar taşınımını gerçekleştirmek için, iki bölgeyi farklı sıcaklıklara ayarlayarak bir sıcaklık gradyanı oluşturabilen iki bölgeli yatay bir fırın kullanmak en basit yöntemdir. Süper iletken numuneler yetiştirmek için tek bölgeli bir fırının başarılı kullanımı henüz gösterilmemiştir. Başlangıç malzemeleri, havanın temizlenmesi gereken kaynaşmış bir kuvars tüpünde bir hidrojen-oksijen meşalesi ile kapatılır. Temizleme ve sızdırmazlık, tüpün kuru bir pompaya ve bir argon gazı silindirine bağlı bir manifolda bağlanmasıyla gerçekleştirilebilir. Hazırlandıktan sonra, bu tüp fırına, borunun iki ucu iki sıcaklık bölgesini kapsayacak şekilde yerleştirilir. _UTe2 durumunda, başlangıç malzemelerini içeren tüpün ucu sıcak uca yerleştirilir. Elementel uranyum ve tellüryum iyot ile reaksiyona girer, tüpten bir buhar olarak aşağı doğru ilerler ve sonunda soğuk uçta kuvars tüpünü tek kristaller şeklinde katılaşır. Genel olarak, büyük kristallerin büyümesi malzemeye bağımlıdır ve birkaç hafta sürebilir. UTe2 için, mm boyutlu kristalleri büyütmek için 7 gün yeterlidir. Büyümeyi takiben, tüp fırından çıkarılır ve kristalleri hasat etmek için açılır.

Erimiş metal kendinden akı yöntemi, bir sıcaklık bölgesine sahip basit bir rezistif kutu fırın gerektirir. Uranyum erimiş tellürde çözünür ve UTe2'nin çözünürlüğü sıcaklığa bağlıdır. Başlangıç malzemeleri, elementel uranyum ve tellür, bir alüminyum potaya yerleştirilir. Bu potanın üzerine, kuvars yünü ile doldurulmuş ikinci bir pota baş aşağı yerleştirilir. İki pota, bir kutu fırına konan bir kuvars tüp içinde kapatılır. Bu kez, bir mesafe boyunca sabit bir sıcaklık gradyanı üretmek yerine, fırın sabit bir oranda yavaşça soğutulduğundan, sıcaklık zamanın bir fonksiyonu olarak değiştirilir. En yüksek sıcaklıkta, tüm uranyum, uranyumdan çok daha düşük bir erime sıcaklığına sahip olan sıvı tellürde çözülecektir. Fırın soğudukça, UTe2'nin çözünürlüğü azalır ve _UTe2 tek kristalleri çökelir ve büyür. Yeterince büyük UTe2 tekli kristalleri üretecek kadar düşük, ancak tellürün sıvı kalması için yeterince yüksek olan bir sıcaklıkta, kuvars tüpü sıcak fırından çıkarılır, bir santrifüj içine yerleştirilir ve katı UTe2'yi donmadan önce sıvı tellüryumdan ayıran bükülür. Bundan sonra, kristalleri toplamak için kırılmadan önce tüpün oda sıcaklığına soğumasına izin verilir.

Tükenmiş uranyum ile çalışmak, yürürlükteki yasaların farkındalığını ve bunlara uyulmasını gerektiren yoğun bir şekilde düzenlenmiş bir faaliyettir. Yerel olarak geçerli tüm tehlikeli ve radyoaktif madde güvenlik kurallarına uyun ve bu işi yapmak için gerekli izinleri alın. Bu kurallar yargı yetkisine ve kuruma göre değişir ve burada ele alınamaz. Bununla birlikte, araştırmanın planlanmasına yardımcı olabilecek bazı genel ilkeler geçerlidir. Araştırmacılar radyoaktif ve tehlikeli maddelerle çalışmak üzere eğitilmelidir. Eldivenler de dahil olmak üzere gerekli kişisel koruyucu ekipmanları giyin. Metodik olarak çalışın ve radyoaktif malzemenin yayılmasını önlemeye özen gösterin. Atıkları etiketli ve onaylı kaplara atın.

Malzemeler

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