Skubber de ekstra kolde grænser for superledende videnskab

Det er svært at måle egenskaberne af superledende materialer i magnetfelter ved tæt på absolut nul temperaturer, men nødvendigt for at forstå deres kvanteegenskaber. Hvor koldt? Lavere end 0,05 Kelvin (-272 ° C).

"For mange moderne (kvante) materialer, for korrekt at studere de fine detaljer i deres kvantemekaniske adfærd skal du være cool. Sejere end man tidligere troede var muligt, "sagde Ruslan Prozorov, en fysiker ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory, der har specialiseret sig i at udvikle instrumentering, der måler netop sådanne ting.

Prozorov og hans forskerhold har udviklet en metode til måling af magnetiske egenskaber for superledende og magnetiske materialer, der udviser usædvanlig kvanteopførsel ved meget lave temperaturer i høje magnetfelter. Metoden bruges til at studere kvantekritisk adfærd, superledningsmekanismer, magnetisk frustration og faseovergange i materialer, hvoraf mange først blev fremstillet på Ames Laboratory.

De gjorde det ved at placere en tunneldiode -resonator, et instrument, der foretager præcise radiofrekvensmålinger af magnetiske egenskaber, i et fortyndet køleskab, en kryogen enhed, der er i stand til at afkøle prøver ned til milli-Kelvin temperaturområde. Selvom dette allerede var opnået før, tidligere værker havde ikke evnen til at anvende store statiske magnetfelter, hvilket er afgørende for at studere kvantematerialer.

Prozorovs gruppe arbejdede på at overvinde de tekniske vanskeligheder ved at opretholde magnetiske målinger i høj opløsning, samtidig med at man opnår ultrakolde temperaturer ned til 0,05 K og i magnetfelter op til 14 tesla. Et lignende kredsløb er allerede blevet brugt i et meget højt magnetfelt (60 T), da teamet udførte eksperimenterne på Los Alamos National Lab.

"Da vi først installerede fortyndingskøleskabet, vittigheden var, at mit laboratorium havde de koldeste temperaturer i Iowa, "sagde Prozorov, der udfører sin forskning, hvor midtvestlige vintre ikke er noget grin. "Men vi gjorde det ikke bare for sjov, for at se, hvor koldt vi kunne gå. Mange usædvanlige kvanteegenskaber af materialer kan kun afdækkes ved disse ekstremt lave temperaturer. "

Gruppen studerede parringssymmetri i flere ukonventionelle superledere, kortlagt et meget komplekst fasediagram i et system med feltinduceret kvantekritisk adfærd, og afslørede for nylig meget usædvanlige egenskaber ved et spin-is-system, "Ingen af ​​dem ville være mulige uden denne opsætning, "sagde Prozorov.