Att mäta egenskaperna hos supraledande material i magnetfält vid nära absoluta nolltemperaturer är svårt, men nödvändigt för att förstå deras kvantegenskaper. Hur kallt? Lägre än 0,05 Kelvin (-272 ° C).

"För många moderna (kvant)material, för att korrekt studera de fina detaljerna i deras kvantmekaniska beteende måste du vara cool. Kallare än man tidigare trodde var möjligt, "sa Ruslan Prozorov, en fysiker vid U.S. Department of Energy's Ames Laboratory, som är specialiserad på att utveckla instrumentering som mäter just sådana saker.

Prozorov och hans forskargrupp har utvecklat en metod för att mäta magnetiska egenskaper hos supraledande och magnetiska material som uppvisar ovanligt kvantbeteende vid mycket låga temperaturer i höga magnetfält. Metoden används för att studera kvantkritiskt beteende, superledningsmekanismer, magnetisk frustration och fasövergångar i material, varav många först tillverkades vid Ames Laboratory.

De gjorde det genom att placera en tunneldiodresonator, ett instrument som gör exakta radiofrekvensmätningar av magnetiska egenskaper, i ett utspädd kylskåp, en kryogen enhet som kan kyla prover ner till milli-Kelvin temperaturområde. Även om detta redan uppnåtts tidigare, tidigare verk hade inte förmågan att applicera stora statiska magnetfält, vilket är avgörande för att studera kvantmaterial.

Prozorovs grupp arbetade med att övervinna de tekniska svårigheterna med att upprätthålla högupplösta magnetiska mätningar, samtidigt som man uppnår extremt kalla temperaturer ner till 0,05 K och i magnetfält upp till 14 tesla. En liknande krets har redan använts i ett mycket högt magnetfält (60 T) när teamet utförde experimenten på Los Alamos National Lab.

"När vi först installerade utspädningskylskåpet, skämtet var att mitt labb hade de kallaste temperaturerna i Iowa, sade Prozorov, som bedriver sin forskning där Midwestern vintrar är ingen skratt. "Men vi gjorde inte det här bara för skojs skull, för att se hur kallt vi kan gå. Många ovanliga kvantegenskaper hos material kan bara avslöjas vid dessa extremt låga temperaturer. "

Gruppen studerade parningssymmetri i flera okonventionella supraledare, kartlagt ett mycket komplext fasdiagram i ett system med fältinducerat kvantkritiskt beteende, och nyligen avslöjade mycket ovanliga egenskaper hos ett spin-is-system, "inget av det skulle vara möjligt utan den här inställningen, "sa Prozorov.