URu ₂ Si ₂ is een metaal dat behoort tot de familie van zware-fermionverbindingen waarin verschillende kwantumfasen (bijv. magnetisme en supergeleiding) kunnen concurreren of naast elkaar bestaan. Deze metalen vertonen kleine energieschalen die gemakkelijk af te stemmen zijn, een eigenschap die ze ideaal maakt voor het testen van nieuwe fysieke ideeën en concepten.

Bijvoorbeeld, onderzoekers hebben deze verbindingen vaak gebruikt om theorieën te testen die verband houden met kwantumfaseovergangen, kwantumkritiek en onconventionele supergeleiding. Het bestuderen van zware-fermionmetalen zou uiteindelijk nieuwe fysieke eigenschappen kunnen onthullen van andere gecorreleerde elektronenmaterialen die veelbelovend zijn gebleken voor een breed scala aan toepassingen, zoals hoge temperatuur supergeleiders.

Een onderzoeksteam van het National Laboratory of High Magnetic Fields (LNCMI/CNRS) in Frankrijk en de Université Grenoble Alpes, in samenwerking met onderzoekers van Okayama University en Tohoku University in Japan, voerde onlangs een systematisch onderzoek uit naar URu ₂ Si ₂ onder een combinatie van hoge drukken en hoge magnetische velden. hun papier, gepubliceerd in Natuurfysica , brengt een tot dusver slecht begrepen fase in de stof in kaart, het afbakenen van een complex driedimensionaal fasediagram.

"Het geval van URu ₂ Si ₂ is nogal bijzonder, "Willem Knafo, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Er bestaat een mysterieuze fase in dit systeem, maar het is tot nu toe niet geïdentificeerd, ondanks meer dan 30 jaar onderzoek en de honderden wetenschappelijke artikelen die over dit onderwerp zijn gepubliceerd. De identificatie van deze 'verborgen orde' in URu ₂ Si ₂ blijft een van de meest uitdagende problemen in de vastestoffysica."

In plaats van te proberen de mysterieuze 'verborgen-orde'-fase in URu . te begrijpen ₂ Si ₂ direct, Knafo en zijn collega's wilden nieuwe elementen verzamelen die uiteindelijk zouden kunnen helpen bij deze zoektocht in de toekomst. Specifieker, hun doel was om te bepalen hoe de combinatie van drie parameters (d.w.z. magnetisch veld, druk, temperatuur) beïnvloedt de fase van de verborgen orde en maakt de stabilisatie van andere kwantumfasen in het materiaal mogelijk.

"Onze experimenten zijn de state-of-the-art van wat vandaag kan worden gedaan door drie extreme omstandigheden te combineren:hoge magnetische velden, hoge drukken, en lage temperaturen, " zei Knafo. "We hebben hoge magnetische velden gegenereerd bij de LNCMI-Toulouse, dat is de gepulseerde veldsite van het Franse Nationale Laboratorium voor Hoge Magnetische Velden, dat op zijn beurt toebehoort aan het European Magnetic Field Laboratory."

In hun experimenten, Knafo en zijn collega's genereerden gepulseerde magnetische velden tot 60 tesla, wat ongeveer 1 miljoen keer groter is dan het magnetisch veld van de aarde. Deze pulsen hadden een totale duur van 300 milliseconden.

De onderzoekers gebruikten vervolgens een generator gemaakt van condensatorbanken, die een maximale energie van 14 megajoule had, maar werd opgeladen met 3 megajoule, om enkele duizenden ampère stroom te genereren en naar een resistieve magneet te sturen. Momenteel, slechts een paar faciliteiten in de wereld, gevestigd in Los Alamos (VS), Tokio, Japan), Dresden (Duitsland), Wuhan (China) en Toulouse, zijn uitgerust met de instrumenten die nodig zijn om onderzoek te doen met magnetische velden van deze intensiteit.

"We gebruikten een drukcel die een druk kan bereiken tot 4 gigapascal (40 duizend keer hoger dan de atmosferische druk) in een standaard helium-cryostaat met temperaturen tot 1,4 kelvin, dat is, 1,4 graden boven het absolute nulpunt (-273,15 °C), " Zei Knafo. "We hebben elektrische weerstandsmetingen uitgevoerd op twee kleine monsters die in het gat met een diameter van 1 mm in het hart van de drukcel passen. Een monster was het onderzochte materiaal URu ₂ Si ₂ , terwijl het tweede monster een manometer was."

Eindelijk, de onderzoekers lasten vier kleine elektrische contacten (d.w.z. draden met een diameter van 15 micrometer) op hun URu ₂ Si ₂ monsters. Hierdoor konden ze uiteindelijk de elektrische weerstand van het materiaal meten. Om het succes van hun experiment met gepulseerde magnetische velden te verzekeren, de monsters en draden die ze gebruikten moesten zorgvuldig worden voorbereid.

"De belangrijkste prestatie van onze studie is de bepaling van het driedimensionale fasediagram van URu ₂ Si ₂ , waar de drie dimensies magnetisch veld zijn, druk en temperatuur, " zei Knafo. "We hebben de grenzen van de fase van de verborgen orde verkregen, maar ook die van andere kwantumfasen in dit systeem:een spindichtheidsgolf, antiferromagnetisme, gepolariseerd paramagnetisme enz."

De onderzoekers merkten op dat bij hoge druk, de veld-geïnduceerde spin-dichtheidsgolf en verborgen-orde fasen verdwenen uit URu ₂ Si ₂ , toch vertoonde het antiferromagnetisme. Bovendien, ze toonden aan dat een groot aantal fasegrenzen in het materiaal wordt bepaald door de veld- en drukafhankelijkheid van een specifieke parameter.

De bevindingen verzameld door Knafo en zijn collega's stellen nieuwe beperkingen die uiteindelijk bestaande of opkomende theorieën over elektronische correlaties en geordende fasen in URu zouden kunnen informeren ₂ Si ₂ . Specifieker, het 3D-fasediagram dat in hun paper wordt geschetst, zou een belangrijke stap voorwaarts kunnen zijn in het modelleren en begrijpen van de ongrijpbare fase van verborgen orde van het materiaal, wat op zijn beurt zou kunnen helpen om nieuwe fysica te onthullen.

"We gaan nu verder met ons onderzoek naar heavy-fermion-materialen, " zei Knafo. "Onze huidige werken richten zich op het nieuwe materiaal UTe ₂ , waar een spectaculair en zeldzaam fenomeen is waargenomen:supergeleiding veroorzaakt door een magnetisch veld. Dit nieuwe systeem is een van de beste illustraties van het samenspel tussen magnetisme en supergeleiding in heavy-fermion materialen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk