Kvantemateriale går derhen, hvor ingen er gået før

Rice University fysiker Qimiao Si begyndte at kortlægge kvantekritikalitet for mere end et årti siden, og han har endelig fundet en rejsende, der kan krydse den sidste grænse.

Den rejsende er en legering af ceriumpalladium og aluminium, og dens rejse er beskrevet i en undersøgelse, der blev offentliggjort online i denne uge i Naturfysik af Si, en teoretisk fysiker og direktør for Rice Center for Quantum Materials (RCQM), og kolleger i Kina, Tyskland og Japan.

Si's kort er en graf kaldet et fasediagram, et værktøj, som fysikere af kondensater ofte bruger til at fortolke, hvad der sker, når et materiale ændrer fase, som når en fast isblok smelter i flydende vand.

Regionerne på Si's kort er områder, hvor elektroner følger forskellige regelsæt, og papiret beskriver, hvordan forskerne brugte det geometriske arrangement af atomer i legeringen i kombination med forskellige tryk og magnetfelter til at ændre legeringens vej og bringe den ind i et område, hvor fysikere kun har været i stand til at spekulere om de regler, der styrer elektronadfærd .

"Det er hjørnet, eller portion, af dette køreplan, som alle virkelig ønsker at få adgang til, "Si sagde, peger på den øverste venstre side af fasediagrammet, højt oppe i den lodrette akse mærket G. "Det har krævet en stor indsats for samfundet at kigge kandidatmaterialer igennem, der har træk ved geometrisk frustration, hvilket er en måde at realisere dette store G. "

Frustrationen stammer fra arrangementet af ceriumatomer i legeringen i en række ligesidet trekanter. Kagome gitterarrangementet er så opkaldt på grund af dets lighed med mønstre i traditionelle japanske kagome kurve, og det trekantede arrangement sikrer, at spins, elektronernes magnetiske tilstande, kan ikke indrette sig, som de normalt ville under visse betingelser. Denne frustration gav en eksperimentel løftestang, som Si og hans samarbejdspartnere kunne bruge til at udforske en ny region i fasediagrammet, hvor grænsen mellem to velstuderede og velforståede tilstande-den ene præget af et ordnet arrangement af elektronspins og den anden ved uorden - divergerede.

"Hvis du starter med en bestilt, antiferromagnetisk mønster af spins i en up-down, op-ned arrangement, der er flere måder at blødgøre dette hårde mønster på spins på, "sagde Si, Harry C. og Olga K. Wiess Professor i Rices Institut for Fysik og Astronomi. "En måde er gennem kobling til en baggrund af ledningselektroner, og når du ændrer betingelserne for at forbedre denne kobling, spins bliver mere og mere krypteret. Når krypteringen er stærk nok, det bestilte mønster ødelægges, og du ender med en ikke-ordnet fase, en paramagnetisk fase. "

Fysikere kan plotte denne rejse fra orden til uorden som en linje på et fasediagram. I eksemplet ovenfor, linjen ville begynde i et område mærket "AF" for antiferromagnetisk fase, og fortsæt over den ene grænse til en nærliggende region markeret "P" for paramagnetisk. Grænseoverskridelsen er det "kvantekritiske punkt", hvor milliarder på billioner af elektroner fungerer i fællesskab, justere deres holdninger til at passe til reglerne for det regime, de netop har indført.

Si er en førende fortaler for kvantekritikalitet, en teoretisk ramme, der søger at beskrive og forudsige kvantematerialers adfærd i forhold til disse kritiske punkter og faseændringer.

"Hvad den geometriske frustration gør, er at forlænge processen, hvor spin -ordren bliver mere og mere skrøbelig, så det ikke længere bare er et punkt, som systemet passerer igennem på vej til at blive uordentligt, "sagde han." Faktisk det punkt splittes sådan set ud i en separat region, med tydelige grænser på hver side. "

Si sagde holdet, som omfattede co-tilsvarende forfattere og RCQM-partnere Frank Steglich fra Max Planck Institute for Chemical Physics of Faststoffer i Dresden, Tyskland og Peijie Sun fra det kinesiske videnskabsakademi i Beijing, udført eksperimenter, der gav bevis for, at ceriumpalladiumaluminiumlegeringen undergår to grænseovergange.

Fysikere har udført adskillige eksperimenter for at se, hvordan forskellige materialer opfører sig i den ordnede fase, hvor legeringen begyndte sin rejse og i den uordnede fase, hvor den sluttede, men Si sagde, at dette er de første eksperimenter til at spore en vej gennem den mellemliggende fase, der muliggøres af en høj grad af geometrisk frustration.

Han sagde, at målinger af legeringens elektroniske egenskaber, da den passerede gennem regionen, ikke kunne forklares med traditionelle teorier, der beskriver metals adfærd, hvilket betyder, at legeringen opførte sig som et "mærkeligt" metal i mysteriet territorium.

"Systemet fungerede som en slags spinvæske, omend en metallisk, " han sagde.

Si sagde, at resultaterne viser, at geometrisk frustration kan bruges som et designprincip til at skabe mærkelige metaller.

"Det er vigtigt, fordi de usædvanlige elektroniske excitationer i mærkelige metaller også er de underliggende eksotiske egenskaber ved andre stærkt korrelerede kvantematerialer, herunder de fleste høj-temperatur superledere, " han sagde.