Koel een materiaal af tot voldoende lage temperaturen en het zal een vorm van collectieve ordening zoeken. Voeg kwantummechanica toe of beperk de geometrie en de toestanden van materie die ontstaan, kunnen exotisch zijn, inclusief elektronen waarvan de spins zich in spiralen rangschikken, vuurraderen, of kristallen.

In een recent paar publicaties in Natuurcommunicatie , teams onder leiding van Thomas F. Rosenbaum van Caltech, hoogleraar natuurkunde en houder van de Sonja en William Davidow Presidential Chair, rapporteren hoe ze magnetische velden en grote drukken hebben gecombineerd om deze toestanden niet alleen bij ultralage temperaturen te veroorzaken, maar ook om ze een duwtje te geven tussen concurrerende soorten kwantumorde.

Rosenbaum is een expert op het gebied van de kwantummechanische aard van materialen - de fysica van elektronische, magnetisch, en optische materialen op atomair niveau - die het best worden waargenomen bij temperaturen rond het absolute nulpunt. In de eerste van de twee kranten, gepubliceerd in juni en geleid door Sara Haravifard, nu op de faculteit van Duke University, het team perste een verzameling magnetische kwantumdeeltjes in een drukcel bij temperaturen nabij het absolute nulpunt en bij magnetische velden van meer dan 50, 000 keer sterker dan het veld van de aarde, en ontdekte de vorming van nieuwe soorten kristalpatronen. De geometrie van deze kristalpatronen onthult niet alleen de onderliggende kwantummechanica van de interacties tussen de magnetische deeltjes, maar heeft ook invloed op de soorten collectieve toestanden die zijn toegestaan ​​voor atomaire systemen, zoals die die zonder wrijving stromen.

In het werk in het tweede artikel, gepubliceerd in oktober en geleid door Caltech-afgestudeerde student Yishu Wang en Argonne-wetenschapper Yejun Feng, Rosenbaum en collega's onderzoeken ook hoe materialen op het snijvlak balanceren tussen verschillende soorten kwantumorde. In dit geval, echter, de onderzoekers richten zich op de relatie tussen magnetisme en supergeleiding - het volledig verdwijnen van elektrische weerstand - en hoe die eigenschappen zich tot elkaar verhouden wanneer het materiaal van toestand verandert onder de druk die haalbaar is in een diamanten aambeeldcel.

De onderzoekers gebruikten de Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory om de magnetische eigenschappen van het overgangsmetaal mangaanfosfide (MnP) te bestuderen om te zien hoe het mogelijk zou zijn om de volgorde van de spins - de intrinsieke magnetische momenten van de elektronen - te manipuleren naar ofwel het begin van supergeleiding versterken of onderdrukken.

Supergeleiding is een toestand in een materiaal waarin er geen weerstand is tegen elektrische stroom en alle magnetische velden worden verdreven. Dit gedrag komt voort uit een zogenaamde "macroscopische kwantumtoestand" waarbij alle elektronen in een materiaal samenwerken om coöperatief door het materiaal te bewegen zonder energieverlies.

Rosenbaum en zijn collega's schetsten een spiraalpatroon van de magnetische momenten van de elektronen in MnP dat kan worden afgestemd door de druk te verhogen om supergeleiding te induceren. Ook hier hield de bijzondere geometrie van het magnetische patroon de sleutel tot de uiteindelijke staat die het materiaal bereikte. "De experimenten laten duidelijke mogelijkheden zien om nieuwe laagenergetische toestanden te vinden door mangaan en fosfor te vervangen door naburige elementen uit het periodiek systeem, zoals chroom en arseen. De taxonomie van toelaatbare kwantumtoestanden en het vermogen om ze te manipuleren verenigt benaderingen in de kwantumfysica en technologie, ' zegt Rosenbaum.

Het eerste papier, "Kristalisatie van spin-superroosters met druk en veld in de gelaagde magneet SrCu2(BO3)2, " werd gepubliceerd op 20 juni, 2016. Co-auteurs zijn onder meer Daniel M. Silevitch, onderzoekshoogleraar natuurkunde aan Caltech. Het werk bij Caltech werd ondersteund door de National Science Foundation. Het onderzoek in het tweede artikel, getiteld "Spiral magnetische orde en drukgeïnduceerde supergeleiding in overgangsmetaalverbindingen" en gepubliceerd op 6 oktober, werd bij Caltech gefinancierd door een prijs van het Amerikaanse Department of Energy Basic Energy Sciences.