Et tredimensionelt fasediagram over tung-fermionforbindelse med konkurrerende kvantefaser

URu ₂ Si ₂ er et metal, der tilhører familien af ​​tung-fermionforbindelser, hvor flere kvantefaser (f.eks. magnetisme og superledning) kan konkurrere eller sameksistere. Disse metaller udviser små energivægte, der er lette at justere, en egenskab, der gør dem ideelle til at teste nye fysiske ideer og koncepter.

For eksempel, forskere har ofte brugt disse forbindelser til at teste teorier om kvantefaseovergange, kvantekritikalitet og ukonventionel superledning. Undersøgelse af tung-fermion metaller kunne i sidste ende afsløre nye fysiske egenskaber ved andre korrelerede elektronmaterialer, der har vist løfte om en lang række anvendelser, såsom superledere ved høj temperatur.

Et forskerhold ved National Laboratory of High Magnetic Fields (LNCMI/CNRS) i Frankrig og Université Grenoble Alpes, i samarbejde med forskere ved Okayama University og Tohoku University i Japan, for nylig udført en systematisk undersøgelse af URu ₂ Si ₂ under en kombination af høje tryk og høje magnetfelter. Deres papir, udgivet i Naturfysik , kortlægger en fase i materialet, der hidtil er dårligt forstået, afgrænsning af et komplekst tredimensionelt fasediagram.

"Sagen om URu ₂ Si ₂ er ganske særlig, "William Knafo, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Der findes en mystisk fase i dette system, men det er ikke blevet identificeret indtil videre, trods over 30 års forskning og de flere hundrede videnskabelige artikler, der er offentliggjort om dette emne. Identifikationen af ​​denne 'skjulte orden' i URu ₂ Si ₂ er fortsat et af de mest udfordrende problemer inden for solid-state fysik. "

I stedet for at forsøge at forstå den mystiske 'skjulte-orden' fase i URu ₂ Si ₂ direkte, Knafo og hans kolleger ønskede at samle nye elementer, der i sidste ende kunne hjælpe denne søgen i fremtiden. Mere specifikt, deres mål var at bestemme, hvordan kombinationen af ​​tre parametre (dvs. magnetfelt, tryk, temperatur) påvirker fasen med skjult orden og muliggør stabilisering af andre kvantefaser i materialet.

"Vores eksperimenter er de nyeste inden for det, der kan gøres i dag ved at kombinere tre ekstreme forhold:høje magnetfelter, højt tryk, og lave temperaturer, "Sagde Knafo." Vi genererede høje magnetiske felter ved LNCMI-Toulouse, som er det pulserede feltsted for det franske nationale højmagnetiske feltlaboratorium, som igen tilhører European Magnetic Field Laboratory. "

I deres eksperimenter, Knafo og hans kolleger genererede pulserede magnetfelter på op til 60 teslas, som er cirka 1 million gange større end Jordens magnetfelt. Disse pulser havde en samlet varighed på 300 millisekunder.

Forskerne brugte derefter en generator fremstillet af kondensatorbanker, som havde en maksimal energi på 14 megajoules, men blev ladet med 3 megajoules, at generere flere tusinde ampere strøm og sende den til en resistiv magnet. I øjeblikket, kun få faciliteter i verden, beliggende i Los Alamos (USA), Tokyo (Japan), Dresden (Tyskland), Wuhan (Kina) og Toulouse, er udstyret med de nødvendige værktøjer til at udføre forskning, der involverer magnetfelter af denne intensitet.

"Vi brugte en trykcelle, der kan opnå tryk på op til 4 gigapascal (40 tusinde gange højere end atmosfæretrykket) inde i en standard heliumkryostat med temperaturer ned til 1,4 kelvin, det er, 1,4 grader over det absolutte nul (-273,15 ° C), "Knafo sagde." Vi udførte elektriske modstandsmålinger på to små prøver, der passede inde i hullet med en diameter på 1 mm i hjertet af trykcellen. En prøve var det undersøgte materiale URu ₂ Si ₂ , mens den anden prøve var en manometer. "

Endelig, forskerne svejste fire små elektriske kontakter (dvs. ledninger med en diameter på 15 mikrometer) på deres URu ₂ Si ₂ prøver. Dette gav dem i sidste ende mulighed for at måle materialets elektriske modstand. For at sikre succes med deres eksperiment med pulserende magnetfelter, prøver og ledninger, de brugte, skulle forberedes omhyggeligt.

"Hovedresultatet af vores undersøgelse er bestemmelsen af ​​det tredimensionelle fasediagram for URu ₂ Si ₂ , hvor de tre dimensioner er magnetfelt, tryk og temperatur, "Sagde Knafo." Vi opnåede grænserne for fasen med skjult orden, men også dem fra andre kvantefaser i dette system:en spin-density bølge, antiferromagnetisme, polariseret paramagnetisme osv. "

Forskerne observerede, at ved højt tryk, den feltinducerede spin-density bølge og skjulte orden faser forsvandt fra URu ₂ Si ₂ , alligevel udviste den antiferromagnetisme. I øvrigt, de viste, at en stor mængde fasegrænser i materialet styres af feltet og trykafhængigheden af ​​en bestemt parameter.

Resultaterne indsamlet af Knafo og hans kolleger sætter nye begrænsninger, der i sidste ende kan informere eksisterende eller nye teorier om elektroniske korrelationer og ordnede faser i URu ₂ Si ₂ . Mere specifikt, 3D-fasediagrammet, der er skitseret i deres papir, kan være et vigtigt skridt fremad i forsøget på at modellere og forstå materialets undvigende skjulte orden fase, hvilket igen kunne være med til at afsløre ny fysik.

"Vi vil nu fortsætte vores undersøgelse af tung-fermion materialer, "Knafo sagde." Vores nuværende værker fokuserer på det nye materiale UTe ₂ , hvor et spektakulært og sjældent fænomen er blevet observeret:superledning ledt af et magnetfelt. Dette nye system er en af ​​de bedste illustrationer af samspillet mellem magnetisme og superledning i tung-fermion materialer. "

© 2020 Science X Network