Neutroner og en smule guld afdækker ny type kvantefaseovergang

Når stof ændrer sig fra faste stoffer til væsker til dampe, ændringerne kaldes faseovergange. Blandt de mest interessante typer er mere eksotiske ændringer - kvantefasetransitioner - hvor kvantemekanikkens mærkelige egenskaber kan medføre ekstraordinære ændringer på nysgerrige måder.

I et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , et team af forskere ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory rapporterer opdagelsen af ​​en ny type kvantefaseovergang. Denne unikke overgang sker på et elastisk kvantekritisk punkt, eller QCP, hvor faseovergangen ikke er drevet af termisk energi, men derimod af kvantesvingningerne i selve atomerne.

Forskerne brugte en kombination af neutron- og røntgendiffraktionsteknikker, sammen med varmekapacitetsmålinger, for at afsløre, hvordan en elastisk QCP kan findes i et lanthan-kobbermateriale ved blot at tilføje en lille smule guld.

Faseovergange forbundet med QCP'er sker ved næsten absolut nul temperatur (ca. minus 460 grader Fahrenheit), og drives typisk ved den temperatur via faktorer som tryk, magnetiske felter, eller ved at erstatte yderligere kemikalier eller elementer i materialet.

"Vi studerer QCP'er, fordi materialer udviser mange mærkelige og spændende adfærd nær nul -temperatur faseovergangen, som ikke kan forklares med klassisk fysik, "sagde hovedforfatter Lekh Poudel, en kandidatstuderende fra University of Tennessee, der arbejder i ORNL's Quantum Condensed Matter Division. "Vores mål var at undersøge muligheden for en ny type QCP, hvor kvantebevægelsen ændrer atomarrangementet.

"Dens eksistens var teoretisk forudsagt, men der havde ikke været noget eksperimentelt bevis før nu, "sagde han." Vi er de første til at konstatere, at den elastiske QCP findes. "

"Undersøgelsen af ​​kvantefaseovergange er en del af en større indsats for at studere kvantematerialer, der har potentiale til at blive brugt i enheder, der bevæger os ud over vores nuværende teknologiske paradigmer og giver os transformative funktionaliteter, "sagde ORNL -instrumentforsker Andrew Christianson.

"Kvantfasetransitioner er prototyper til at generere nye kvantefaser af stof. I den vene, vi forsøger altid at identificere nye typer kvantefasetransitioner, da de er en af ​​måderne, hvorpå vi finder ny kvantemekanisk adfærd i materialer. "

For bedre at forstå lanthan-kobber-guldets unikke adfærd, holdet brugte Neutron Powder Diffractometer -instrumentet på ORNL's High Flux Isotope Reactor - en DOE Office of Science User Facility - til at karakterisere materialets struktur, tilføjer mere guld til sammensætningen med hver efterfølgende måling.

"Neutroner tillod os at se dybt ind i materialet ved ekstremt lave temperaturer for at se, hvor atomerne var, og hvordan de opførte sig, "Sagde Poudel.

Forskere vidste allerede, at uden tilstedeværelse af guld, lanthan-kobber undergår en faseovergang ved cirka 370 grader Fahrenheit, hvor systemets krystalstruktur ændres ved afkøling. Når der tilføjes mere guld, overgangstemperaturen falder trinvist. Poudel og teamet fortsatte med at tilføje mere guld, indtil overgangstemperaturen nåede nær absolut nul.

"Fordi guldatomer har en betydeligt større atomradius end kobberatomer, når vi tilføjer guld til materialet, uoverensstemmelse mellem atomer inde i krystalstrukturen undertrykker faseovergangen til en lavere temperatur ved at manipulere strukturens indre belastning. Ved næsten nul temperatur, hvor termisk energi ikke længere spiller en rolle i faseovergangen, vi kan se virkningerne af kvantesvingninger i atomernes bevægelse, "Sagde Poudel.

Forskerne udførte også varmekapacitetsmålinger, som viste, hvor meget varme der var nødvendig for at ændre materialets temperatur et par grader og gav oplysninger om udsvingene i materialet.

"Det er vigtigt, de kombinerede resultater viser, at dette er det første eksempel på en potentiel elastisk QCP, hvor de elektroniske energivægte ikke har nogen relevans for kvantesvingningerne, "sagde Andrew May, en forsker i ORNLs afdeling for materialevidenskab og teknologi.

"Denne elastiske QCP i LaCu6-xAux er et perfekt eksempel på, hvor den grundlæggende adfærd for en QCP kan studeres uden komplikation af elektronernes ladning, hvilket sandsynligvis ikke ville være muligt i andre eksempler på QCP'er, "sagde Poudel." Nu hvor vi har fundet dem, vi kan nærmere studere de mikroskopiske udsving, der driver denne kvantefaseovergang, og anvende andre teknikker, der vil give os en større dybde af viden om disse ekstraordinære adfærd. "

Af forskningen, University of Tennessee og ORNL fælles fakultetsmedlem David Mandrus sagde, "Dette arbejde er et godt eksempel på, hvordan University of Tennessee og ORNL kan gå sammen om at producere førsteklasses videnskab og levere en uovertruffen uddannelsesmulighed for en stærkt motiveret ph.d.-studerende. Succeshistorier som dette vil bidrage til at tiltrække flere ungt talent til Tennessee, hvilket vil gavne både UTK og ORNL. "

Papirets forfattere omfatter Lekh Poudel, Andrew F.May, Michael R. Koehler, Michael A. McGuire, Saikat Mukhopadhyay, Stuart Calder, Ryan E. Baumbach, Rupam Mukherjee, Deepak Sapkota, Clarina dela Cruz, David J. Singh, David Mandrus og Andrew D. Christianson.

Supplerende bidrag blev ydet af afdelingerne for fysik og astronomi og materialevidenskab og teknik ved University of Tennessee, Institut for Fysik og Astronomi ved University of Missouri, National High Magnetic Field Laboratory ved Florida State University og Argonne National Laboratory's Advanced Photon Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Forskningen blev støttet af DOE's Office of Science, DOE's S3TEC Energy Frontier Research Center, og National Science Foundation.