Een internationaal team van wetenschappers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), het Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van vaste stoffen, en collega's uit de VS en Zwitserland hebben met succes verschillende extreme experimentele omstandigheden op een volledig unieke manier gecombineerd, onthullende spannende inzichten in de mysterieuze geleidende eigenschappen van het kristallijne metaal CeRhIn ₅ . In het journaal Natuurcommunicatie , ze rapporteren over hun verkenning van voorheen onbekende gebieden van het fasediagram van dit metaal, dat wordt beschouwd als een veelbelovend modelsysteem voor het begrijpen van onconventionele supergeleiders.

"Eerst, we brengen een dun laagje goud aan op een microscopisch klein monokristal. Vervolgens gebruiken we een ionenstraal om minuscule microstructuren uit te snijden. Aan de uiteinden van deze structuren, we bevestigen ultradunne platina-tapes om weerstand te meten in verschillende richtingen onder extreem hoge druk, die we genereren met een diamanten aambeeld drukcel. In aanvulling, we passen zeer krachtige magnetische velden toe op het monster bij temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt."

Voor de gemiddelde persoon dit klinkt misschien als de grillige fantasie van een overijverige fysicus, maar eigenlijk, het is een feitelijke beschrijving van het experimentele werk uitgevoerd door Dr. Toni Helm van HZDR's High Magnetic Field Laboratory (HLD) en zijn collega's van Tallahassee, Los Alamos, Lausanne en Dresden. We zullen, althans gedeeltelijk, omdat deze beschrijving alleen maar zinspeelt op de vele uitdagingen die gepaard gaan met het gelijktijdig combineren van dergelijke uitersten. Deze grote inspanning is natuurlijk, geen doel op zich:de onderzoekers proberen enkele fundamentele vragen van de vastestoffysica te doorgronden.

Het bestudeerde monster is cer-rhodium-indium-five (CeRhIn ₅ ), een metaal met verrassende eigenschappen die nog niet helemaal begrepen worden. Wetenschappers beschrijven het als een onconventionele elektrische geleider met extreem zware ladingsdragers, waarin, onder bepaalde omstandigheden, elektrische stroom kan vloeien zonder verliezen. Aangenomen wordt dat de sleutel tot deze supergeleiding ligt in de magnetische eigenschappen van het metaal. De centrale kwesties die door natuurkundigen die met dergelijke gecorreleerde elektronensystemen werken, worden onderzocht, zijn onder meer:​​Hoe organiseren zware elektronen zich collectief? Hoe kan dit magnetisme en supergeleiding veroorzaken? En wat is de relatie tussen deze fysieke verschijnselen?

Een expeditie door het fasediagram

De natuurkundigen zijn vooral geïnteresseerd in het fasediagram van het metaal, een soort kaart waarvan de coördinaten druk zijn, Magnetische veldsterkte, en temperatuur. Als de kaart betekenisvol wil zijn, de wetenschappers moeten zoveel mogelijk locaties in dit coördinatenstelsel ontdekken, net als een cartograaf die onbekend terrein verkent. In feite, het opkomende diagram is niet anders dan het terrein van een landschap.

Omdat ze de temperatuur verlagen tot bijna vier graden boven het absolute nulpunt, de natuurkundigen observeren magnetische orde in het metaalmonster. Op dit punt, ze hebben een aantal opties:ze kunnen het monster nog verder afkoelen en blootstellen aan hoge drukken, het forceren van een overgang naar de supergeleidende toestand. Indien, anderzijds, ze verhogen alleen het externe magnetische veld tot 600, 000 keer de sterkte van het aardmagnetisch veld, de magnetische orde wordt ook onderdrukt; echter, het materiaal komt in een toestand die 'elektronisch nematisch' wordt genoemd.

Deze term is ontleend aan de fysica van vloeibare kristallen, waar het een bepaalde ruimtelijke oriëntatie van moleculen beschrijft met een langeafstandsorde over grotere gebieden. De wetenschappers gaan ervan uit dat de elektronisch nematische toestand nauw verbonden is met het fenomeen van onconventionele supergeleiding. De experimentele omgeving bij HLD biedt optimale omstandigheden voor zo'n complex meetproject. De grote magneten genereren relatief langdurige pulsen en bieden voldoende ruimte voor complexe meetmethoden onder extreme omstandigheden.

Experimenten op de limiet bieden een glimp van de toekomst

De experimenten hebben nog enkele bijzondere kenmerken. Bijvoorbeeld, werken met hooggepulseerde magnetische velden creëert wervelstromen in de metalen delen van de experimentele opstelling, die ongewenste warmte kan genereren. De wetenschappers hebben daarom de centrale componenten vervaardigd uit een speciaal plastic materiaal dat dit effect onderdrukt en betrouwbaar functioneert in de buurt van het absolute nulpunt. Door de microfabricage door gerichte ionenstralen, ze produceren een monstergeometrie die een hoogwaardig meetsignaal garandeert.

"Microstructurering zal veel belangrijker worden in toekomstige experimenten. Daarom hebben we deze technologie meteen naar het laboratorium gebracht, " zegt Helm, toe te voegen:"Dus we hebben nu manieren om toegang te krijgen tot en geleidelijk door te dringen in dimensies waar kwantummechanische effecten een grote rol spelen." Hij is er ook zeker van dat de kennis die hij en zijn team hebben opgedaan, zal bijdragen aan onderzoek naar supergeleiders bij hoge temperaturen of nieuwe kwantumtechnologieën.