Onder alle merkwaardige toestanden van materie die naast elkaar kunnen bestaan ​​in een kwantummateriaal, strijdend om voorrang als temperatuur, elektronendichtheid en andere factoren veranderen, sommige wetenschappers denken dat er een bijzonder vreemde nevenschikking bestaat op een enkel kruispunt van factoren, het kwantumkritieke punt of QCP genoemd.

"Kwantumkritische punten zijn een zeer actueel onderwerp en interessant voor veel problemen, " zegt Wei-Sheng Lee, een stafwetenschapper bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en onderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). "Sommigen suggereren dat ze zelfs analoog zijn aan zwarte gaten in de zin dat het singulariteiten zijn - puntachtige kruispunten tussen verschillende toestanden van materie in een kwantummateriaal - waar je allerlei heel vreemd elektronengedrag kunt krijgen als je ze nadert. "

Lee en zijn medewerkers rapporteerden in Natuurfysica vandaag dat ze sterk bewijs hebben gevonden dat QCP's en de bijbehorende fluctuaties bestaan. Ze gebruikten een techniek genaamd resonante inelastische röntgenverstrooiing (RIXS) om het elektronische gedrag van een koperoxidemateriaal te onderzoeken, of cuprate, die elektriciteit met een perfecte efficiëntie geleidt bij relatief hoge temperaturen.

Deze zogenaamde hoge-temperatuur-supergeleiders zijn een bruisend onderzoeksgebied omdat ze aanleiding kunnen geven tot afvalvrije overdracht van energie, energiezuinige transportsystemen en andere futuristische technologieën, hoewel niemand het onderliggende microscopische mechanisme achter supergeleiding bij hoge temperaturen nog kent. Of QCP's in cuprates bestaan, is ook een veelbesproken kwestie.

In experimenten bij de Britse Diamond Light Source, het team koelde de cuprate tot temperaturen onder 90 kelvin (minus 183 graden Celsius), waar het supergeleidend werd. Ze richtten hun aandacht op wat bekend staat als ladingsvolgorde - afwisselende strepen in het materiaal waar elektronen en hun negatieve ladingen dichter of schaarser zijn.

De wetenschappers prikkelden de cuprate met röntgenstralen en maten het röntgenlicht dat in de RIXS-detector werd verspreid. Hierdoor konden ze in kaart brengen hoe de excitaties zich door het materiaal voortplantten in de vorm van subtiele trillingen, of fononen, in het atoomrooster van het materiaal, die moeilijk te meten zijn en tools met een zeer hoge resolutie vereisen.

Tegelijkertijd, de röntgenstralen en de fononen kunnen elektronen in de ladingsvolgorde strepen exciteren, waardoor de strepen gaan fluctueren. Aangezien de door RIXS verkregen gegevens de koppeling weergeven tussen het gedrag van de ladingsstrepen en het gedrag van de fononen, het observeren van de fononen stelde de onderzoekers in staat om het gedrag van de ladingsvolgordestrepen te meten, te.

Wat de wetenschappers verwachtten te zien, is dat wanneer de strepen van de ladingsvolgorde zwakker werden, hun opwinding zou ook verdwijnen. "Maar wat we zagen was heel vreemd, Lee zei. "We zagen dat wanneer de volgorde van de lading zwakker werd in de supergeleidende toestand, de ladingsvolgorde-excitaties werden sterker. Dit is een paradox omdat ze hand in hand moeten gaan, en dat is wat mensen vinden in andere laadbestelsystemen."

Hij voegde toe, "Voor zover ik weet is dit het eerste experiment over ladingsvolgorde dat dit gedrag heeft laten zien. Sommigen hebben gesuggereerd dat dit is wat er gebeurt als een systeem zich in de buurt van een kwantumkritisch punt bevindt, waar kwantumfluctuaties zo sterk worden dat ze de ladingsvolgorde smelten, net zoals het verwarmen van ijs de thermische trillingen in zijn stijve atomaire rooster verhoogt en het in water laat smelten. Het verschil is dat kwantumsmelten, in principe, gebeurt bij nul temperatuur." In dit geval, Lee zei, de onverwacht sterke ladingsorde-excitaties die werden waargenomen met RIXS waren manifestaties van die kwantumfluctuaties.

Lee zei dat het team deze verschijnselen nu bestudeert bij een breder temperatuurbereik en op verschillende dopingniveaus - waarbij verbindingen worden toegevoegd om de dichtheid van vrij bewegende elektronen in het materiaal te veranderen - om te zien of ze precies kunnen bepalen waar de kwantumkritieke punt zou in dit materiaal kunnen zitten.

Thomas Deveraux, een theoreticus bij SIMES en senior auteur van het rapport, merkte op dat veel fasen van materie met elkaar verweven kunnen zijn in cuprates en andere kwantummaterialen.

"Supergeleidende en magnetische toestanden, laadvolgordestrepen enzovoort zijn zo verstrengeld dat je er tegelijkertijd in kunt zijn, "zei hij. "Maar we zitten vast in onze klassieke manier van denken dat ze op de een of andere manier moeten zijn."

Hier, hij zei, "We hebben effect, en Wei-Sheng probeert het in detail te meten, proberen te zien wat er aan de hand is."