Kyl ett material till tillräckligt låga temperaturer och det kommer att söka någon form av kollektiv ordning. Lägg till kvantmekanik eller begränsa geometrin och materiens tillstånd som uppstår kan vara exotiska, inklusive elektroner vars spinn ordnar sig i spiraler, pinwheels, eller kristaller.

I ett par nyligen publicerade publikationer i Naturkommunikation , team ledda av Caltechs Thomas F. Rosenbaum, professor i fysik och innehavare av Sonja och William Davidows presidentstol, rapportera hur de har kombinerat magnetfält och stora tryck för att inte bara inducera dessa tillstånd vid ultralåga temperaturer, men också för att knuffa dem mellan konkurrerande typer av kvantordning.

Rosenbaum är en expert på materials kvantmekaniska natur - elektronernas fysik, magnetisk, och optiska material på atomnivå - som bäst observeras vid temperaturer nära absolut noll. I den första av de två tidningarna, publicerades i juni och leddes av Sara Haravifard, nu på fakulteten vid Duke University, laget klämde ihop en samling magnetiska kvantpartiklar i en tryckcell vid temperaturer nära absolut noll och vid magnetfält över 50, 000 gånger starkare än jordens fält, och upptäckte bildandet av nya typer av kristallmönster. Geometrin hos dessa kristallmönster avslöjar inte bara den underliggande kvantmekaniken för interaktionerna mellan de magnetiska partiklarna, men har också betydelse för de typer av kollektiva tillstånd som är tillåtna för atomsystem, sådana som flyter utan friktion.

I arbetet i den andra uppsatsen, publicerades i oktober och leddes av Caltech-studenten Yishu Wang och Argonne-forskaren Yejun Feng, Rosenbaum och kollegor undersöker också hur material balanserar på knivseggen mellan olika typer av kvantordning. I detta fall, dock, forskarna fokuserar på förhållandet mellan magnetism och supraledning – det fullständiga försvinnandet av elektriskt motstånd – och hur dessa egenskaper relaterar till varandra när materialet ändrar tillstånd under det tryck som kan uppnås i en diamantstädcell.

Forskarna använde Advanced Photon Source vid Argonne National Laboratory för att studera de magnetiska egenskaperna hos övergångsmetallen manganfosfid (MnP) för att se hur det kan vara möjligt att manipulera ordningen av spinnen – elektronernas inneboende magnetiska moment – ​​till antingen förstärka eller undertrycka uppkomsten av supraledning.

Supraledning är ett tillstånd i ett material där det inte finns något motstånd mot elektrisk ström och alla magnetiska fält stöts ut. Detta beteende uppstår från ett så kallat "makroskopiskt kvanttillstånd" där alla elektroner i ett material samverkar för att samarbeta genom materialet utan energiförlust.

Rosenbaum och hans kollegor avgränsade ett spiralmönster av de magnetiska momenten hos elektronerna i MnP som kunde ställas in genom att öka trycket för att inducera supraledning. Även här höll den speciella geometrin hos det magnetiska mönstret nyckeln till det ultimata tillståndet som materialet nådde. "Experimenten avslöjar uppenbara möjligheter att hitta nya lågenergitillstånd via substitutioner för mangan och fosfor med närliggande element från det periodiska systemet som krom och arsenik. Tasonomien för tillåtna kvanttillstånd och förmågan att manipulera dem förenar tillvägagångssätt över kvantfysik och teknologi, säger Rosenbaum.

Den första tidningen, "Kristallisation av spinnsupergitter med tryck och fält i den skiktade magneten SrCu2(BO3)2, " publicerades den 20 juni, 2016. Medförfattare inkluderar Daniel M. Silevitch, forskningsprofessor i fysik vid Caltech. Arbetet på Caltech fick stöd av National Science Foundation. Forskningen i den andra artikeln, med titeln "Spiral magnetic order and pressure-induced superconductivity in transition metal compounds" och publicerad den 6 oktober, finansierades vid Caltech av ett pris från U.S. Department of Energy Basic Energy Sciences.