De fysicus Qimiao Si van Rice University begon meer dan tien jaar geleden met het in kaart brengen van de kwantumkritiek. en hij heeft eindelijk een reiziger gevonden die de laatste grens kan oversteken.

De reiziger is een legering van cerium palladium en aluminium, en zijn reis wordt beschreven in een studie die deze week online is gepubliceerd in Natuurfysica door Si, een theoretisch fysicus en directeur van het Rice Center for Quantum Materials (RCQM), en collega's in China, Duitsland en Japan.

De kaart van Si is een grafiek die een fasediagram wordt genoemd, een hulpmiddel dat fysici van gecondenseerde materie vaak gebruiken om te interpreteren wat er gebeurt als een materiaal van fase verandert, zoals wanneer een vast blok ijs smelt in vloeibaar water.

De regio's op de kaart van Si zijn gebieden waar elektronen verschillende sets regels volgen, en het artikel beschrijft hoe de onderzoekers de geometrische rangschikking van atomen in de legering gebruikten in combinatie met verschillende drukken en magnetische velden om het pad van de legering te veranderen en het in een gebied te brengen waar natuurkundigen alleen maar konden speculeren over de regels die het elektronengedrag bepalen .

"Dat is de hoek, of gedeelte, van deze wegenkaart waar iedereen echt toegang toe wil hebben, "Si zei, wijzend naar de linkerbovenhoek van het fasediagram, hoog op de verticale as gemarkeerd met G. "Het heeft de gemeenschap enorm veel moeite gekost om door kandidaatmaterialen te kijken die het kenmerk hebben van geometrische frustratie, dat is een manier om deze grote G te realiseren."

De frustratie komt voort uit de rangschikking van ceriumatomen in de legering in een reeks gelijkzijdige driehoeken. Het Kagome-roosterarrangement is zo genoemd vanwege de gelijkenis met patronen in traditionele Japanse Kagome-manden, en de driehoekige opstelling zorgt ervoor dat spins, de magnetische toestanden van elektronen, zichzelf niet kunnen regelen zoals ze dat onder bepaalde voorwaarden normaal zouden doen. Deze frustratie vormde een experimentele hefboom die Si en zijn medewerkers konden gebruiken om een ​​nieuw gebied van het fasediagram te verkennen waar de grens tussen twee goed bestudeerde en goed begrepen toestanden - de ene gemarkeerd door een ordelijke opstelling van elektronenspins en de andere door wanorde —dwaalde.

"Als je begint met een besteld, antiferromagnetisch patroon van spins in een up-down, up-down regeling, er zijn verschillende manieren om dit harde patroon van de spins te verzachten, " zei Si, de Harry C. en Olga K. Wiess Professor in Rice's Department of Physics and Astronomy. "Eén manier is door koppeling met een achtergrond van geleidingselektronen, en als je de omstandigheden verandert om deze koppeling te verbeteren, de spins worden meer en meer vervormd. Als het klauteren sterk genoeg is, het bestelde patroon wordt vernietigd, en je eindigt met een niet-geordende fase, een paramagnetische fase."

Natuurkundigen kunnen deze reis van orde naar wanorde uitzetten als een lijn op een fasediagram. In het bovenstaande voorbeeld de lijn zou beginnen in een gebied gemarkeerd met "AF" voor antiferromagnetische fase, en ga verder over een grens naar een naburig gebied gemarkeerd met "P" voor paramagnetisch. De grensovergang is het "kwantumkritische punt" waar miljarden en biljoenen elektronen tegelijk werken, hun standpunten aanpassen aan de regels van het regime dat ze zojuist hebben ingevoerd.

Si is een vooraanstaand voorstander van kwantumkritiek, een theoretisch raamwerk dat het gedrag van kwantummaterialen in relatie tot deze kritische punten en faseveranderingen wil beschrijven en voorspellen.

"Wat de geometrische frustratie doet, is het proces uitbreiden waarbij de spinvolgorde steeds kwetsbaarder wordt, zodat het niet langer alleen een punt is waar het systeem doorheen gaat op weg naar wanorde, "zei hij. "In feite, dat punt splitst zich op in een aparte regio, met duidelijke grenzen aan weerszijden."

Si zei het team, waaronder co-corresponderende auteurs en RCQM-partners Frank Steglich van het Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids in Dresden, Duitsland en Peijie Sun van de Chinese Academie van Wetenschappen in Peking, voerde experimenten uit die het bewijs leverden dat de cerium-palladiumaluminiumlegering twee grensovergangen ondergaat.

Natuurkundigen hebben talloze experimenten uitgevoerd om te zien hoe verschillende materialen zich gedragen in de geordende fase waarin de legering zijn reis begon en in de ongeordende fase waar deze eindigde, maar Si zei dat dit de eerste experimenten zijn om een ​​pad te vinden door de tussenliggende fase die mogelijk wordt gemaakt door een hoge mate van geometrische frustratie.

Hij zei dat metingen van de elektronische eigenschappen van de legering tijdens het passeren van de regio niet konden worden verklaard door traditionele theorieën die het gedrag van metalen beschrijven. wat betekent dat de legering zich gedroeg als een "vreemd" metaal in het mysteriegebied.

"Het systeem fungeerde als een soort spinvloeistof, zij het een metalen, " hij zei.

Si zei dat de resultaten aantonen dat geometrische frustratie kan worden gebruikt als ontwerpprincipe om vreemde metalen te creëren.

"Dat is belangrijk omdat de ongebruikelijke elektronische excitaties in vreemde metalen ook de onderliggende exotische eigenschappen zijn van andere sterk gecorreleerde kwantummaterialen, inclusief de meeste hoge-temperatuur supergeleiders, " hij zei.