På sporet af ukonventionel superledning, forskere kortlægger ukendt territorium

Et internationalt hold af forskere fra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, og kolleger fra USA og Schweiz har med succes kombineret forskellige ekstreme eksperimentelle forhold på en helt unik måde, afslører spændende indsigt i det krystallinske metal CeRhIns mystiske ledende egenskaber ₅ . I journalen Naturkommunikation , de rapporterer om deres udforskning af tidligere ukendte områder af fasediagrammet for dette metal, som betragtes som et lovende modelsystem til forståelse af ukonventionelle superledere.

"Først, vi påfører et tyndt lag guld på en mikroskopisk lille enkeltkrystal. Så bruger vi en ionstråle til at udskære små mikrostrukturer. I enderne af disse strukturer, vi vedhæfter ultratynde platinbånd til at måle modstand i forskellige retninger under ekstremt høje tryk, som vi genererer med en diamantambolt trykcelle. Ud over, vi anvender meget kraftige magnetiske felter på prøven ved temperaturer nær det absolutte nul."

Til den gennemsnitlige person, det lyder måske som en overivrig fysikers finurlige fantasi, men faktisk det er en egentlig beskrivelse af det eksperimentelle arbejde udført af Dr. Toni Helm fra HZDR's High Magnetic Field Laboratory (HLD) og hans kolleger fra Tallahassee, Los Alamos, Lausanne og Dresden. Godt, i hvert fald delvist, fordi denne beskrivelse kun antyder de mange udfordringer, der er forbundet med at kombinere sådanne ekstremer samtidigt. Denne store indsats er, selvfølgelig, ikke et mål i sig selv:Forskerne forsøger at komme til bunds i nogle grundlæggende spørgsmål om faststoffysik.

Den undersøgte prøve er cer-rhodium-indium-five (CeRhIn ₅ ), et metal med overraskende egenskaber, der ikke er fuldt ud forstået endnu. Forskere beskriver det som en ukonventionel elektrisk leder med ekstremt tunge ladningsbærere, hvori, under visse betingelser, elektrisk strøm kan flyde uden tab. Det antages, at nøglen til denne superledningsevne ligger i metallets magnetiske egenskaber. De centrale emner, der undersøges af fysikere, der arbejder med sådanne korrelerede elektronsystemer, omfatter:Hvordan organiserer tunge elektroner sig kollektivt? Hvordan kan dette forårsage magnetisme og superledning? Og hvad er forholdet mellem disse fysiske fænomener?

En ekspedition gennem fasediagrammet

Fysikerne er særligt interesserede i metallets fasediagram, en slags kort, hvis koordinater er tryk, magnetisk feltstyrke, og temperatur. Hvis kortet skal være meningsfuldt, videnskabsmændene skal afdække så mange steder som muligt i dette koordinatsystem, ligesom en kartograf, der udforsker ukendt territorium. Faktisk, det nye diagram er ikke ulig terrænet i et landskab.

Da de reducerer temperaturen til næsten fire grader over det absolutte nulpunkt, fysikerne observerer magnetisk orden i metalprøven. På dette tidspunkt, de har en række muligheder:De kan køle prøven endnu mere ned og udsætte den for høje tryk, fremtvinger en overgang til den superledende tilstand. Hvis, på den anden side, de øger udelukkende det eksterne magnetfelt til 600, 000 gange styrken af ​​jordens magnetfelt, den magnetiske orden er også undertrykt; imidlertid, materialet går ind i en tilstand kaldet 'elektronisk nematisk'.

Dette udtryk er lånt fra flydende krystallers fysik, hvor den beskriver en vis rumlig orientering af molekyler med en lang rækkefølge over større områder. Forskerne antager, at den elektronisk nematiske tilstand er tæt forbundet med fænomenet ukonventionel superledning. Forsøgsmiljøet på HLD giver optimale betingelser for et så komplekst måleprojekt. De store magneter genererer relativt langvarige impulser og giver tilstrækkelig plads til komplekse målemetoder under ekstreme forhold.

Eksperimenter på grænsen giver et glimt af fremtiden

Eksperimenterne har et par ekstra særlige kendetegn. For eksempel, arbejde med højpulserende magnetfelter skaber hvirvelstrømme i de metalliske dele af forsøgsopstillingen, som kan generere uønsket varme. Forskerne har derfor fremstillet de centrale komponenter af et specielt plastmateriale, der undertrykker denne effekt og fungerer pålideligt nær det absolutte nulpunkt. Gennem mikrofremstilling af fokuserede ionstråler, de producerer en prøvegeometri, der garanterer et målesignal af høj kvalitet.

"Mikrostrukturering vil blive meget vigtigere i fremtidige eksperimenter. Derfor bragte vi denne teknologi ind i laboratoriet med det samme, " siger Helm, tilføjer:"Så vi har nu måder at få adgang til og gradvist trænge ind i dimensioner, hvor kvantemekaniske effekter spiller en stor rolle." Han er også sikker på, at den knowhow, han og hans team har erhvervet, vil bidrage til forskning i højtemperatur-superledere eller nye kvanteteknologier.