Fysiker vid U.S. Department of Energy's Ames Laboratory har framgångsrikt utfört mätningar av en järnbaserad superledare i en viktig men svåråtkomlig regim där kritiska kvantfluktuationer dominerar fysiken. Med hjälp av en ny avkänningsteknik, de kartlade exakt kvantfasövergången - ett fenomen som teoretiseras för att vara nära kopplat till supraledning - djupt inne i det superledande tillståndet.

Den innovativa experimentella inställningen, kallas ett kvävevakans (NV) magnetoskop, är mycket känslig, praktiskt taget icke-invasiv, och mer exakt än de som tidigare använts för att utforska liknande fysik i supraledande material.

"Detta är ett verkligt fascinerande resultat i vetenskapen om supraledare - att få en klar bild av hur kvantfasövergången samexisterar med supraledning. Det verkar som att den superledande fasen skyddar kvantkritiskt beteende från effekterna av störningar. Detta är ganska anmärkningsvärt!" sa Prozorov, en fysiker från Ames laboratorium. "När vi fortsätter att studera andra material med denna nya förmåga, det kommer att hjälpa till att svara på viktiga teoretiska frågor om ursprunget till okonventionell supraledning. "

Teamet använde NV -omfånget för att noggrant mäta Londons penetrationsdjup, vilket är djupet som ett magnetfält tränger in i en superledare från dess yta. Detta djup är direkt relaterat till den effektiva elektronmassan, som är kvantiteten som påverkas av kvantfluktuationer och signalerar förekomsten av kvantfasövergång. Genom att systematiskt mäta olika sammansättningar av en järnpniktidförening, Ba (Fe, Co) ₂ Som ₂ , odlad på Ames Laboratory av Paul Canfields forskargrupp, Prozorovs team kunde kartlägga närvaron av kvantfasövergången som normalt döljs under supralednings "kupol, "när temperaturen närmar sig absolut noll.

Prozorov leder ett team av forskare i sitt lågtemperaturlaboratorium vid Ames Laboratory, undersöka superledarnas spännande beteende, och försöker lösa upp hur olika kvantfenomen påverkar deras prestanda. De är specialiserade på utvecklingen av unika ultrahöga precision och känsliga experimentella tekniker för att mäta det optiska, magnetiska och elektriska signaturer av dessa beteenden. NV -omfattningen byggdes från grunden vid Ames Laboratory av personalforskaren Naufer Nusran och doktoranden Kamal Joshi. Det är en optisk magnetometer som utnyttjar kvanttillståndet för en viss typ av atomdefekt, kallade nitrogen-vacancy (NV) centra, i diamant. Nusran utvecklade också det nya sättet att använda NV -centren för att mäta lägre kritiska fält som leder till Londons penetrationsdjup.

"Londons penetrationsdjup är en av de mest grundläggande parametrarna som beskriver superledare; det berättar i princip hur robust supraledning är, "sa Prozorov." Jag har mätt denna mängd med olika tekniker under större delen av min forskningskarriär och NV -avkänning representerar en betydande framsteg inom experimentell supraledning. "

Sju år sedan, Prozorovs laboratorium var en del av ett internationellt forskningssamarbete som fann det första tydliga beviset för att kvantkritisk punkt (QCP) överlevde djupt i det supraledande tillståndet. Det pågående arbetet, med nya metoder, undersöker supraledande system med en betydande störning. Tillsammans, dessa verk bevisar att kvantfasövergång och kritiska fluktuationer inte bara samexisterar med supraledning, men kan till och med skyddas av det från effekterna av oordning. Resultaten är en annan viktig ledtråd för att lösa mysteriet med järnbaserad supraledning.

"Än, det finns mycket mer att göra, för att till fullo utforska vetenskapen om okonventionella superledare i allmänhet. För det, nyare och mer sofistikerade metoder för kvantavkänning måste utvecklas. "sade Nusran. Nya kvantavkänningsmetoder som kan undersöka kvantfluktuationer i nanoskala skulle möjliggöra en djupare titt på konkurrerande och samexisterande kvantfaser i högtemperatur superledare och många andra materialvetenskapliga problem. "Dessa nya funktioner kommer i slutändan att belysa de begränsande förhållandena och genomförbarheten för superledare och andra kvantmaterial för tekniska tillämpningar."

Forskningen diskuteras vidare i tidningen, "Kvantfasövergång inuti den supraledande kupolen för Ba (Fe _1-x Co _x ) ₂ Som ₂ från diamantbaserad optisk magnetometri "författad av Kamal R. Joshi, Naufer Nusran, Makariy A. Tanatar, Kyuil Cho, Sergey L Bud'ko, Paul C Canfield, Rafael M Fernandes, Alex Levchenko och Ruslan Prozorov; och publiceras i New Journal of Physics .