Door nauwkeurig de entropie te meten van een ceriumkoper-goudlegering met verbijsterende elektronische eigenschappen afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, natuurkundigen in Duitsland en de Verenigde Staten hebben nieuw bewijs verzameld over de mogelijke oorzaken van supergeleiding bij hoge temperatuur en soortgelijke verschijnselen.

"Deze demonstratie biedt een basis om beter te begrijpen hoe nieuwe gedragingen zoals supergeleiding bij hoge temperaturen worden veroorzaakt wanneer bepaalde soorten materialen worden afgekoeld tot een kwantumkritisch punt, " zei fysicus Qimiao Si van Rice University, co-auteur van een nieuwe studie over het onderzoek in deze week Natuurfysica .

Het experimentele onderzoek werd geleid door Hilbert von Löhneysen van het Karlsruhe Institute of Technology in Karlsruhe, Duitsland. Het team van Löhneysen, waaronder hoofdauteur Kai Grube, bracht een jaar door met het uitvoeren van tientallen experimenten op een verbinding gemaakt van ceriumkoper en goud. Door het effect van stress te bestuderen, of druk uitgeoefend in specifieke richtingen, en door de materialen erg koud te maken, het team veranderde subtiel de afstand tussen de atomen in de kristallijne metaalverbindingen en veranderde zo hun elektronische eigenschappen.

De ceriumkoper-goudlegeringen zijn "zware fermionen, " een van de verschillende soorten kwantummaterialen die exotische elektronische eigenschappen vertonen als ze erg koud zijn. De bekendste hiervan zijn supergeleiders bij hoge temperaturen, zo genoemd vanwege hun vermogen om elektrische stroom te geleiden zonder weerstand bij temperaturen die ver boven die van traditionele supergeleiders liggen. Zware fermionen vertonen een andere eigenaardigheid:hun elektronen lijken in feite honderden keren zwaarder te zijn dan normaal en, even ongewoon, de effectieve elektronenmassa lijkt sterk te variëren als de temperatuur verandert.

Deze vreemde gedragingen tarten traditionele fysieke theorieën. Ze komen ook voor bij zeer lage temperaturen en ontstaan ​​wanneer de materialen zijn afgestemd op een "quantumfaseovergang" - een verandering van de ene toestand naar de andere, zoals smeltend ijs. In 2001, Si en collega's boden een nieuwe theorie aan:op het kwantumkritieke punt, elektronen fluctueren tussen twee totaal verschillende kwantumtoestanden, zozeer zelfs dat hun effectieve massa oneindig groot wordt. De theorie voorspelde bepaalde verklikkers als het kwantumkritieke punt nadert, en Si heeft de afgelopen 16 jaar met experimentele natuurkundigen gewerkt om bewijs te verzamelen om de theorie te ondersteunen.

"Vloeibaar water en ijs zijn twee van de klassieke toestanden waarin H2O kan bestaan, " zei Si, directeur van het Rice Center for Quantum Materials. "IJs is een zeer geordende fase omdat de H2O-moleculen netjes in een kristalrooster zijn gerangschikt. Water is minder geordend in vergelijking met ijs, maar stromende watermoleculen hebben nog steeds een onderliggende orde. Het kritieke punt is waar dingen fluctueren tussen deze twee soorten orde. Het is het punt waar H2O-moleculen min of meer naar het patroon willen gaan volgens ijs en min of meer naar het patroon willen gaan volgens water.

"Het lijkt erg op een kwantumfaseovergang, " zei hij. "Hoewel deze overgang wordt aangedreven door de kwantummechanica, het is nog steeds een kritiek punt waar er maximale fluctuatie is tussen twee geordende toestanden. In dit geval, de fluctuaties zijn gerelateerd aan de volgorde van de 'spins' van elektronen in het materiaal."

Spin is een inherente eigenschap - zoals oogkleur - en de spin van elk elektron wordt geclassificeerd als "omhoog" of "omlaag". bij magneten, zoals ijzer, spins zijn in dezelfde richting uitgelijnd. Maar veel materialen vertonen het tegenovergestelde gedrag:hun spins wisselen elkaar af in een zich herhalende opwaartse, omlaag, omhoog, neerwaarts patroon dat natuurkundigen 'antiferromagnetisch' noemen.

Honderden experimenten met zware fermionen, Hoge-temperatuur-supergeleiders en andere kwantummaterialen hebben ontdekt dat de magnetische orde aan weerszijden van een kwantumkritisch punt verschilt. Typisch, experimenten vinden antiferromagnetische orde in een reeks van chemische samenstellingen, en een nieuwe staat van orde aan de andere kant van het kritieke punt.

"Een redelijk beeld is dat je een antiferromagnetische orde van spins kunt hebben, waar de spins behoorlijk geordend zijn, en je kunt een andere staat hebben waarin de spins minder geordend zijn, " zei Si, Harry C. en Olga K. Wiess van Rice, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde. "Het kritieke punt is waar fluctuaties tussen deze twee toestanden maximaal zijn."

De ceriumkoper-goudverbinding is een prototype van zwaar fermionmateriaal geworden voor kwantumkritiek, grotendeels te danken aan het werk van de groep van von Löhneysen.

"In 2000, we deden inelastische neutronenverstrooiingsexperimenten in het kwantumkritische ceriumkoper-goudsysteem, " zei von Löhneysen. "We vonden een ruimtelijk-temporeel profiel dat zo ongebruikelijk was dat het niet kon worden begrepen in termen van de standaardtheorie van metaal."

Si zei dat studie een van de belangrijke factoren was die hem en zijn co-auteurs stimuleerde om hun theorie uit 2001 aan te bieden, wat hielp bij het verklaren van de raadselachtige resultaten van von Löhneysen. In vervolgonderzoeken Si en collega's voorspelden ook dat entropie - een klassieke thermodynamische eigenschap - zou toenemen naarmate kwantumfluctuaties in de buurt van een kwantumkritiek punt zouden toenemen. De goed gedocumenteerde eigenschappen van ceriumkopergoud boden een unieke kans om de theorie te testen, zei Si.

In cerium koper-zes, door kleine hoeveelheden goud te vervangen door koper, kunnen onderzoekers de afstand tussen atomen iets vergroten. In de kritische compositie de legeringen ondergaan een antiferromagnetische kwantumfaseovergang. Door deze samenstelling te bestuderen en de entropie vele malen te meten onder verschillende stressomstandigheden, het Karlsruhe-team was in staat om een ​​3D-kaart te maken die liet zien hoe entropie bij zeer lage maar eindige temperaturen gestaag toenam naarmate het systeem het kwantumkritieke punt naderde.

Er bestaat geen directe maat voor entropie, maar de verhouding van entropieveranderingen tot spanning is recht evenredig met een andere verhouding die kan worden gemeten:de hoeveelheid die het monster uitzet of krimpt als gevolg van veranderingen in temperatuur. Om de metingen bij de buitengewoon lage temperaturen mogelijk te maken, het team van Karlsruhe ontwikkelde een methode voor het nauwkeurig meten van lengteveranderingen van minder dan een tiende van een biljoenste meter - ongeveer een duizendste van de straal van een enkel atoom.

"We hebben de entropie gemeten als een functie van de spanning die langs alle verschillende hoofdrichtingen wordt uitgeoefend, " zei Grube, een senior onderzoeker aan het Karlsruhe Institute of Technology. "We hebben een gedetailleerde kaart gemaakt van het entropielandschap in de multidimensionale parameterruimte en hebben geverifieerd dat het kwantumkritieke punt bovenop de entropieberg ligt."

Von Löhneysen zei dat de thermodynamische metingen ook nieuwe inzichten bieden in de kwantumfluctuaties nabij het kritieke punt.

"Verrassend genoeg, deze methodologie stelt ons in staat om het onderliggende ruimtelijke profiel van kwantumkritische fluctuaties in dit kwantumkritische materiaal te reconstrueren, " zei hij. "Dit is de eerste keer dat dit soort methodologie is toegepast."

Si zei dat het een verrassing was dat dit kon worden gedaan met niets meer dan entropiemetingen.

"Het is vrij opmerkelijk dat het entropielandschap zo goed kan aansluiten bij het gedetailleerde profiel van de kwantumkritische fluctuaties die zijn bepaald door microscopische experimenten zoals inelastische neutronenverstrooiing, des te meer wanneer beide uiteindelijk direct bewijs leveren om de theorie te ondersteunen, " hij zei.

Algemener, de demonstratie van de uitgesproken entropieverbetering op een kwantumkritisch punt in een multidimensionale parameterruimte leidt tot nieuwe inzichten in de manier waarop elektron-elektron-interacties aanleiding geven tot supergeleiding bij hoge temperatuur, zei Si.

"Een manier om de geaccumuleerde entropie van een kwantumkritiek punt te verlichten, is dat de elektronen in het systeem zichzelf reorganiseren in nieuwe fasen, " zei hij. "Een van de mogelijke fasen die volgen, is onconventionele supergeleiding, waarin de elektronen paren en een coherente macroscopische kwantumtoestand vormen."