science >> Wetenschap >  >> Fysica

Neutronen en een beetje goud onthullen nieuw type kwantumfaseovergang

ORNL-onderzoekers hebben een nieuw type kwantumkritisch punt ontdekt, een nieuwe manier waarop materialen van de ene toestand van materie naar de andere veranderen. Hier uitgelicht zijn onderzoekers Lekh Poudel (links), Andrew Christianson en Andrew May. Krediet:ORNL/Genevieve Martin

Wanneer materie verandert van vaste stof in vloeistof in damp, de veranderingen worden faseovergangen genoemd. Een van de meest interessante soorten zijn meer exotische veranderingen - kwantumfaseovergangen - waarbij de vreemde eigenschappen van de kwantummechanica op merkwaardige manieren buitengewone veranderingen teweeg kunnen brengen.

In een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , een team van onderzoekers onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy meldt de ontdekking van een nieuw type kwantumfase-overgang. Deze unieke overgang vindt plaats op een elastisch kwantumkritisch punt, of QCP, waar de faseovergang niet wordt aangedreven door thermische energie, maar door de kwantumfluctuaties van de atomen zelf.

De onderzoekers gebruikten een combinatie van neutronen- en röntgendiffractietechnieken, samen met warmtecapaciteitsmetingen, om te onthullen hoe een elastische QCP kan worden gevonden in een lanthaan-koper materiaal door simpelweg een klein beetje goud toe te voegen.

Faseovergangen geassocieerd met QCP's vinden plaats bij bijna het absolute nulpunt (ongeveer minus 460 graden Fahrenheit), en worden doorgaans bij die temperatuur aangedreven via factoren zoals druk, magnetische velden, of door aanvullende chemicaliën of elementen in het materiaal te vervangen.

"We bestuderen QCP's omdat materialen veel vreemd en opwindend gedrag vertonen in de buurt van de fase-overgang van nul temperatuur die niet kan worden verklaard door klassieke fysica, " zei hoofdauteur Lekh Poudel, een afgestudeerde student van de Universiteit van Tennessee die werkt in de Quantum Condensed Matter Division van ORNL. "Ons doel was om de mogelijkheid te onderzoeken van een nieuw type QCP waarbij de kwantumbeweging de rangschikking van atomen verandert.

"Het bestaan ​​ervan was theoretisch voorspeld, maar er was tot nu toe geen experimenteel bewijs, " zei hij. "Wij zijn de eersten die vaststellen dat de elastische QCP bestaat."

"De studie van kwantumfaseovergangen maakt deel uit van een grotere inspanning om kwantummaterialen te bestuderen die het potentieel hebben om te worden gebruikt in apparaten die ons voorbij onze huidige technologische paradigma's brengen en ons transformatieve functionaliteiten bieden, " zei ORNL-instrumentwetenschapper Andrew Christianson.

"Quantumfaseovergangen zijn prototypes voor het genereren van nieuwe kwantumfasen van materie. In die geest, we proberen altijd nieuwe soorten kwantumfase-overgangen te identificeren, omdat ze een van de manieren zijn waarop we nieuwe kwantummechanische gedragingen in materialen vinden."

Om het unieke gedrag van lanthaan-koper-goud beter te begrijpen, het team gebruikte het Neutron Powder Diffractometer-instrument bij ORNL's High Flux Isotope Reactor - een DOE Office of Science User Facility - om de structuur van het materiaal te karakteriseren, bij elke volgende meting meer goud aan de compositie toevoegen.

"Met neutronen konden we bij extreem lage temperaturen diep in het materiaal kijken om te zien waar de atomen waren en hoe ze zich gedroegen. ' zei Poedel.

Onderzoekers wisten al dat zonder de aanwezigheid van goud, lanthaan-koper ondergaat een faseovergang bij ongeveer 370 graden Fahrenheit, waar de kristalstructuur van het systeem verandert bij afkoeling. Als er meer goud wordt toegevoegd, de overgangstemperatuur daalt stapsgewijs. Poudel en het team bleven meer goud toevoegen totdat de overgangstemperatuur bijna het absolute nulpunt bereikte.

"Omdat goudatomen een aanzienlijk grotere atoomstraal hebben dan koperatomen, als we goud aan het materiaal toevoegen, de mismatch van atomen in de kristalstructuur onderdrukt de faseovergang naar een lagere temperatuur door de interne spanning van de structuur te manipuleren. Bij bijna nul temperatuur, waar thermische energie geen rol meer speelt in de faseovergang, we kunnen de effecten zien van kwantumfluctuaties in de beweging van de atomen, ' zei Poedel.

De onderzoekers voerden ook warmtecapaciteitsmetingen uit, die liet zien hoeveel warmte er nodig was om de temperatuur van het materiaal een paar graden te veranderen en gaf informatie over de fluctuaties in het materiaal.

"Belangrijk, de gecombineerde resultaten laten zien dat dit het eerste voorbeeld is van een potentieel elastische QCP, waar de elektronische energieschalen geen enkele relevantie hebben voor de kwantumfluctuaties, " zei Andrew May, een onderzoeker in de Materials Science and Technology Division van ORNL.

"Deze elastische QCP in LaCu6-xAux is een perfect voorbeeld van waar het fundamentele gedrag van een QCP kan worden bestudeerd zonder de complicatie van de lading van de elektronen, wat waarschijnlijk niet mogelijk zou zijn in andere voorbeelden van QCP's, zei Poudel. Nu we ze gevonden hebben, we kunnen de microscopische fluctuaties die deze kwantumfase-overgang aandrijven nauwkeuriger bestuderen en andere technieken toepassen die ons een grotere kennis over dit buitengewone gedrag zullen geven."

Van het onderzoek, Universiteit van Tennessee en ORNL gezamenlijk faculteitslid David Mandrus zei:"Dit werk is een goed voorbeeld van hoe de Universiteit van Tennessee en ORNL kunnen samenwerken om eersteklas wetenschap te produceren en een ongeëvenaarde educatieve kans te bieden voor een zeer gemotiveerde doctoraatsstudent. Succesverhalen zoals deze zullen helpen om meer mensen aan te trekken jong talent naar Tennessee, waar zowel UTK als ORNL van profiteren."

De auteurs van het artikel zijn onder meer Lekh Poudel, Andrew F. May, Michael-R. Koehler, Michael A. McGuire, Saikat Mukhopadhyay, Stuart Calder, Ryan, E. Baumbach, Rupam Mukherjee, Deepak Sapkota, Clarina de la Cruz, David-J. Singh, David Mandrus en Andrew D. Christianson.

Aanvullende bijdragen werden geleverd door de departementen Natuurkunde &Sterrenkunde en Materiaalwetenschappen &Engineering van de Universiteit van Tennessee, de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de Universiteit van Missouri, het National High Magnetic Field Laboratory van de Florida State University en de Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Het onderzoek werd ondersteund door DOE's Office of Science, DOE's S3TEC Energy Frontier Research Center, en de National Science Foundation.