Genom att exakt mäta entropin i en legering av ceriumkopparguld med förvirrande elektroniska egenskaper nedkyld till nästan absolut noll, fysiker i Tyskland och USA har fått nya bevis om de möjliga orsakerna till högtemperatur supraledning och liknande fenomen.

"Denna demonstration ger en grund för att bättre förstå hur nya beteenden som högtemperatur supraledning åstadkommes när vissa typer av material kyls till en kvantkritisk punkt, "säger fysikern Qimiao Si från Rice University, medförfattare till en ny studie om forskningen under veckans Naturfysik .

Den experimentella forskningen leddes av Hilbert von Löhneysen från Karlsruhe Institute of Technology i Karlsruhe, Tyskland. Löhneysens team, inklusive studieförfattare Kai Grube, tillbringade ett år med att göra dussintals experiment på en förening av ceriumkoppar och guld. Genom att studera effekten av stress, eller tryck applicerat i specifika riktningar, och genom att göra materialen väldigt kalla, laget ändrade subtilt avståndet mellan atomerna i de kristallina metallföreningarna och ändrade därmed deras elektroniska egenskaper.

Legeringarna av ceriumkoppar är "tunga fermioner, "en av flera typer av kvantmaterial som uppvisar exotiska elektroniska egenskaper när de är mycket kalla. De mest kända av dessa är högtemperatur superledare, så namngiven för deras förmåga att leda elektrisk ström med noll motstånd vid temperaturer långt över traditionella superledares. Tunga fermioner uppvisar en annan konstighet:Deras elektroner verkar effektivt vara hundratals gånger mer massiva än normalt och, lika ovanligt, den effektiva elektronmassan tycks variera kraftigt när temperaturen förändras.

Dessa udda beteenden trotsar traditionella fysiska teorier. De förekommer också vid mycket kalla temperaturer och uppstår när materialen är inställda på en "kvantfasövergång" - en förändring från ett tillstånd till ett annat, som issmältning. År 2001, Si och kollegor erbjöd en ny teori:Vid den kvantkritiska punkten, elektroner fluktuerar mellan två helt olika kvanttillstånd, så mycket att deras effektiva massa blir oändligt stor. Teorin förutsade vissa berättartecken när den kvantkritiska punkten närmar sig, och Si har arbetat med experimentella fysiker under de senaste 16 åren för att samla bevis för att stödja teorin.

"Flytande vatten och is är två av de klassiska tillstånden där H2O kan existera, "sa Si, chef för Riscentret för kvantmaterial. "Is är en mycket ordnad fas eftersom H2O -molekylerna är snyggt placerade i ett kristallgitter. Vatten är mindre ordnat jämfört med is, men rinnande vattenmolekyler har fortfarande underliggande ordning. Den kritiska punkten är där saker och ting fluktuerar mellan dessa två typer av order. Det är den punkt där H2O -molekyler liksom vill gå till mönstret enligt is och typ vill gå till mönstret enligt vatten.

"Det är väldigt likt i en kvantfasövergång, "sa han." Även om denna övergång drivs av kvantmekanik, det är fortfarande en kritisk punkt där det finns maximal fluktuation mellan två ordnade tillstånd. I detta fall, fluktuationerna är relaterade till ordningen av "snurr" av elektroner i materialet. "

Snurr är en inneboende egenskap - som ögonfärg - och varje elektronns snurr klassificeras som antingen "upp" eller "ner". I magneter, som järn, snurrar är inriktade i samma riktning. Men många material uppvisar det motsatta beteendet:Deras snurr växlar om och om igen, ner, upp, nedmönster som fysiker kallar "antiferromagnetisk".

Hundratals experiment på tunga fermioner, Högtemperatur-superledare och andra kvantmaterial har funnit att magnetisk ordning skiljer sig på vardera sidan av en kvantkritisk punkt. Vanligtvis, experiment hittar antiferromagnetisk ordning i ett område av kemisk sammansättning, och ett nytt ordningsläge på andra sidan den kritiska punkten.

"En rimlig bild är att du kan ha en antiferromagnetisk ordning av snurr, där snurren är ganska ordnade, och du kan ha ett annat tillstånd där snurren är mindre ordnade, "sa Si, Rices Harry C. och Olga K. Wiess Professor i fysik och astronomi. "Den kritiska punkten är där fluktuationer mellan dessa två stater är som högst."

Ceriumkopparguldföreningen har blivit en prototyp av tungt fermionmaterial för kvantkritik, till stor del på grund av arbetet i von Löhneysens grupp.

"År 2000, vi gjorde oelastiska neutronspridningsexperiment i det kvantkritiska ceriumkopparguldsystemet, "sa von Löhneysen." Vi fann en rumslig-tidsmässig profil så ovanlig att den inte kunde förstås i termer av standardteorin om metall. "

Si sa att studien var en av de viktiga faktorerna som stimulerade honom och hans medförfattare att erbjuda sin teori från 2001, vilket hjälpte till att förklara von Löhneysens förbryllande resultat. I efterföljande studier, Si och kollegor förutspådde också att entropi - en klassisk termodynamisk egenskap - skulle öka när kvantfluktuationerna ökade nära en kvantkritisk punkt. De väldokumenterade egenskaperna hos ceriumkopparguld gav ett unikt tillfälle att testa teorin, Sa Si.

I cerium koppar-sex, genom att ersätta koppar med små mängder guld kan forskare öka avståndet mellan atomer något. I den kritiska kompositionen legeringarna genomgår en antiferromagnetisk kvantfasövergång. Genom att studera denna sammansättning och mäta entropin flera gånger under olika stressförhållanden, Karlsruhe-teamet kunde skapa en 3-D-karta som visade hur entropi vid mycket låg men ändlig temperatur stadigt ökade när systemet närmade sig den kvantkritiska punkten.

Det finns inget direkt mått på entropi, men förhållandet mellan entropiförändringar och stress är direkt proportionellt mot ett annat förhållande som kan mätas:mängden provet expanderar eller dras ihop på grund av temperaturförändringar. För att möjliggöra mätningar vid de extremt låga temperaturer som krävs, Karlsruhe-teamet utvecklade en metod för att exakt mäta längdförändringar på mindre än en tiondel av en biljonedel av en meter-ungefär en tusendel radien för en enda atom.

"Vi mätte entropin som en funktion av stress applicerad längs alla de olika huvudriktningarna, "sa Grube, senior forskare vid Karlsruhe Institute of Technology. "Vi gjorde en detaljerad karta över entropilandskapet i det flerdimensionella parameterutrymmet och verifierade att den kvantkritiska punkten sitter ovanpå entropibjället."

Von Löhneysen sa att de termodynamiska mätningarna också ger ny insikt i kvantfluktuationerna nära den kritiska punkten.

"Förvånande, denna metod tillåter oss att rekonstruera den underliggande rumsliga profilen för kvantkritiska fluktuationer i detta kvantkritiska material, "sa han." Det här är första gången som denna metod används. "

Si sa att det kom som en överraskning att detta inte kunde göras med annat än entropimätningar.

"Det är ganska anmärkningsvärt att entropilandskapet kan ansluta sig så bra till den detaljerade profilen för de kvantkritiska fluktuationerna som bestäms från mikroskopiska experiment som oelastisk neutronspridning, desto mer när båda slutar ge direkt bevis för att stödja teorin, " han sa.

Mer allmänt, demonstrationen av den uttalade entropiförbättringen vid en kvantkritisk punkt i ett flerdimensionellt parameterutrymme ger ny insikt om hur elektron-elektroninteraktioner ger upphov till högtemperatur supraledning, Sa Si.

"Ett sätt att lindra den ackumulerade entropin för en kvantkritisk punkt är att elektronerna i systemet omorganiserar sig till nya faser, "sa han." Bland de möjliga faser som följer är okonventionell supraledning, där elektronerna kopplas ihop och bildar ett koherent makroskopiskt kvanttillstånd. "