Het meten van de eigenschappen van supergeleidende materialen in magnetische velden bij temperaturen rond het absolute nulpunt is moeilijk, maar noodzakelijk om hun kwantumeigenschappen te begrijpen. Hoe koud? Lager dan 0,05 Kelvin (-272°C).

"Voor veel moderne (kwantum)materialen, om de fijne details van hun kwantummechanische gedrag goed te bestuderen, moet je cool zijn. Koeler dan vroeger voor mogelijk werd gehouden, " zei Ruslan Prozorov, een natuurkundige bij het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, die gespecialiseerd is in het ontwikkelen van instrumentatie die juist zulke dingen meet.

Prozorov en zijn onderzoeksteam hebben een methode ontwikkeld om magnetische eigenschappen te meten van supergeleidende en magnetische materialen die ongebruikelijk kwantumgedrag vertonen bij zeer lage temperaturen in hoge magnetische velden. De methode wordt gebruikt om kwantumkritisch gedrag te bestuderen, mechanismen van supergeleiding, magnetische frustratie en faseovergangen in materialen, waarvan vele voor het eerst werden vervaardigd in het Ames Laboratory.

Dat deden ze door een tunneldiode-resonator te plaatsen, een instrument dat nauwkeurige radiofrequentiemetingen van magnetische eigenschappen maakt, in een verdunningskoelkast, een cryogeen apparaat dat monsters kan afkoelen tot een temperatuurbereik van milli-Kelvin. Terwijl dit al eerder werd bereikt, eerdere werken hadden niet de mogelijkheid om grote statische magnetische velden toe te passen, wat cruciaal is voor het bestuderen van kwantummaterialen.

De groep van Prozorov werkte aan het overwinnen van de technische moeilijkheden bij het handhaven van magnetische metingen met hoge resolutie, terwijl tegelijkertijd ultrakoude temperaturen tot 0,05 K en in magnetische velden tot 14 tesla worden bereikt. Een soortgelijk circuit is al gebruikt in een zeer hoog magnetisch veld (60 T) toen het team de experimenten uitvoerde in Los Alamos National Lab.

"Toen we de verdunningskoelkast voor het eerst installeerden, de grap was dat mijn lab de koudste temperaturen had in Iowa, " zei Prozorov, die zijn onderzoek doet waar de winters in het Midwesten geen lachertje zijn. "Maar we deden dit niet alleen voor de lol, om te zien hoe koud we konden gaan. Veel ongebruikelijke kwantumeigenschappen van materialen kunnen alleen bij deze extreem lage temperaturen worden ontdekt."

De groep bestudeerde paarsymmetrie in verschillende onconventionele supergeleiders, een zeer complex fasediagram in kaart gebracht in een systeem met veldgeïnduceerd kwantumkritisch gedrag, en heeft onlangs zeer ongebruikelijke eigenschappen van een spin-ijssysteem ontdekt, "wat niet mogelijk zou zijn zonder deze opstelling, ’ zei Prozorov.