Entropi landskab kaster lys over kvantemysterium

Ved nøjagtigt at måle entropien af ​​en ceriumkobberguldlegering med forvirrende elektroniske egenskaber afkølet til næsten absolut nul, fysikere i Tyskland og USA har indsamlet nye beviser om de mulige årsager til høj temperatur superledning og lignende fænomener.

"Denne demonstration giver et grundlag for bedre at forstå, hvordan ny adfærd som høj temperatur superledningsevne opstår, når visse slags materialer afkøles til et kvantekritisk punkt, " sagde Rice University fysiker Qimiao Si, medforfatter til en ny undersøgelse om forskningen i denne uges Naturfysik .

Den eksperimentelle forskning blev ledet af Hilbert von Löhneysen fra Karlsruhe Institute of Technology i Karlsruhe, Tyskland. Löhneysens team, herunder studieforfatter Kai Grube, brugt et år på at udføre snesevis af eksperimenter på en forbindelse lavet af cerium kobber og guld. Ved at studere effekten af ​​stress, eller tryk påført i bestemte retninger, og ved at gøre materialerne meget kolde, holdet ændrede subtilt afstanden mellem atomerne i de krystallinske metalliske forbindelser og ændrede dermed deres elektroniske egenskaber.

Ceriumkobberguldlegeringerne er "tunge fermioner, "en af ​​flere typer kvantematerialer, der udviser eksotiske elektroniske egenskaber, når de er meget kolde. De mest kendte af disse er superledere ved høj temperatur, så opkaldt efter deres evne til at lede elektrisk strøm med nul modstand ved temperaturer langt over de traditionelle superledere. Tunge fermioner udviser en anden underlighed:Deres elektroner ser ud til at være effektivt hundredvis af gange mere massive end normalt og, lige så usædvanligt, den effektive elektronmasse ser ud til at variere stærkt, når temperaturen ændres.

Disse ulige adfærd trodser traditionelle fysiske teorier. De forekommer også ved meget kolde temperaturer og opstår, når materialerne er indstillet til en "kvantefaseovergang" - en ændring fra en tilstand til en anden, som issmeltning. I 2001, Si og kolleger tilbød en ny teori:På det kvantekritiske punkt, elektroner svinger mellem to helt forskellige kvantetilstande, så meget, at deres effektive masse bliver uendeligt stor. Teorien forudsagde visse fortælletegn, når det kvantekritiske punkt nærmer sig, og Si har arbejdet med eksperimentelle fysikere i de sidste 16 år for at samle beviser til støtte for teorien.

"Flydende vand og is er to af de klassiske tilstande, hvor H2O kan eksistere, " sagde Si, direktør for Riscenter for kvantematerialer. "Is er en meget ordnet fase, fordi H2O -molekylerne er pænt arrangeret i et krystalgitter. Vand er mindre ordnet i forhold til is, men strømmende vandmolekyler har stadig underliggende orden. Det kritiske punkt er, hvor tingene svinger mellem disse to ordretyper. Det er det punkt, hvor H2O -molekyler slags vil gå til mønsteret ifølge is og slags vil gå til mønsteret i henhold til vand.

"Det ligner meget i en kvantefaseovergang, "sagde han." Selvom denne overgang er drevet af kvantemekanik, det er stadig et kritisk punkt, hvor der er maksimal udsving mellem to ordnede tilstande. I dette tilfælde, udsvingene er relateret til rækkefølgen af ​​'spins' af elektroner i materialet. "

Spin er en iboende egenskab - som øjenfarve - og hver elektrones spin er klassificeret som enten "op" eller "ned". I magneter, som jern, spins er justeret i samme retning. Men mange materialer udviser den modsatte adfærd:Deres snurrer skiftevis gentagne gange, ned, op, ned mønster, som fysikere omtaler som "antiferromagnetisk."

Hundredvis af eksperimenter med tunge fermioner, højtemperatur-superledere og andre kvantematerialer har fundet ud af, at den magnetiske orden er forskellig på begge sider af et kvantekritisk punkt. Typisk, eksperimenter finder antiferromagnetisk rækkefølge i et område af kemisk sammensætning, og en ny ordenstilstand på den anden side af det kritiske punkt.

"Et rimeligt billede er, at du kan have en antiferromagnetisk rækkefølge af spins, hvor spinsene er ordnet, og du kan have en anden tilstand, hvor spins er mindre ordnet, " sagde Si, Rices Harry C. og Olga K. Wiess Professor i fysik og astronomi. "Det kritiske punkt er, hvor udsving mellem disse to stater er maksimalt."

Ceriumkobberguldforbindelsen er blevet en prototype tungt fermionmateriale til kvantekritikalitet, hovedsagelig på grund af arbejdet i von Löhneysens gruppe.

"I 2000, vi lavede uelastiske neutronspredningsforsøg i det kvantekritiske ceriumkobberguldsystem, "sagde von Löhneysen." Vi fandt en rumlig-tidsmæssig profil så usædvanlig, at den ikke kunne forstås ud fra standardteorien om metal. "

Si sagde, at undersøgelsen var en af ​​de vigtige faktorer, der stimulerede ham og hans medforfattere til at tilbyde deres 2001-teori, hvilket hjalp med at forklare von Löhneysens forvirrende resultater. I efterfølgende undersøgelser, Si og kolleger forudsagde også, at entropi - en klassisk termodynamisk egenskab - ville stige, når kvanteudsvingene steg nær et kvantekritisk punkt. De veldokumenterede egenskaber ved ceriumkobberguld gav en unik mulighed for at teste teorien, Sagde Si.

I cerium kobber-seks, ved at erstatte små mængder guld med kobber gør det muligt for forskere at øge afstanden mellem atomer lidt. I den kritiske sammensætning, legeringerne undergår en antiferromagnetisk kvantefaseovergang. Ved at studere denne sammensætning og måle entropien adskillige gange under forskellige stressbetingelser, Karlsruhe-teamet var i stand til at oprette et 3-D-kort, der viste, hvordan entropi ved meget lav, men endelig temperatur jævnligt steg, da systemet nærmede sig det kvantekritiske punkt.

Der findes ikke noget direkte mål for entropi, men forholdet mellem entropiændringer og stress er direkte proportional med et andet forhold, der kan måles:mængden, prøven udvider eller trækker sig sammen på grund af ændringer i temperaturen. For at muliggøre målingerne ved de ekstraordinært lave temperaturer, der kræves, Karlsruhe-holdet udviklede en metode til nøjagtigt at måle længdeændringer på mindre end en tiendedel af en trilliontedel af en meter - cirka en tusindedel af radius af et enkelt atom.

"Vi målte entropien som en funktion af stress pålagt i alle de forskellige hovedretninger, "sagde Grube, seniorforsker ved Karlsruhe Institute of Technology. "Vi lavede et detaljeret kort over entropilandskabet i det multidimensionale parameterrum og verificerede, at det kvantekritiske punkt sidder oven på entropibjerget."

Von Löhneysen sagde, at de termodynamiske målinger også giver ny indsigt i kvanteudsvingene nær det kritiske punkt.

"Overraskende, denne metode giver os mulighed for at rekonstruere den underliggende rumlige profil af kvantekritiske udsving i dette kvantekritiske materiale, "sagde han." Det er første gang, at denne form for metode er blevet anvendt. "

Si sagde, at det kom som en overraskelse, at dette kun kunne lade sig gøre ved hjælp af entropimålinger.

"Det er ganske bemærkelsesværdigt, at entropilandskabet kan forbinde så godt med den detaljerede profil af de kvantekritiske udsving, der er bestemt af mikroskopiske eksperimenter, såsom uelastisk neutronspredning, så meget desto mere, når begge ender med at levere direkte beviser til støtte for teorien, " han sagde.

Mere generelt, demonstrationen af ​​den udtalte entropi-forbedring på et kvantekritisk punkt i et multidimensionelt parameterrum giver ny indsigt i måden, elektron-elektron-interaktioner giver anledning til høj temperatur superledning, sagde Si.

"En måde at lindre den akkumulerede entropi af et kvantekritisk punkt på er ved at elektronerne i systemet omorganiserer sig til nye faser, "sagde han." Blandt de mulige faser, der følger, er ukonventionel superledning, hvor elektronerne parrer sig og danner en sammenhængende makroskopisk kvantetilstand."