Upphovsman:Knafo et al.
URu 2 Si 2 är en metall som tillhör familjen tung-fermionföreningar där flera kvantfaser (t.ex. magnetism och supraledning) kan tävla eller samexistera. Dessa metaller uppvisar små energivågor som är lätta att justera, en egenskap som gör dem idealiska för att testa nya fysiska idéer och koncept.
Till exempel, forskare har ofta använt dessa föreningar för att testa teorier relaterade till kvantfasövergångar, kvantkritik och okonventionell supraledning. Att studera tung-fermionmetaller kan i slutändan avslöja nya fysikaliska egenskaper hos andra korrelerade elektronmaterial som har visat lovande för en mängd applikationer, såsom högtemperatur superledare.
Ett forskargrupp vid National Laboratory of High Magnetic Fields (LNCMI/CNRS) i Frankrike och Université Grenoble Alpes, i samarbete med forskare vid Okayama University och Tohoku University i Japan, nyligen genomfört en systematisk undersökning av URu 2 Si 2 under en kombination av höga tryck och höga magnetfält. Deras papper, publicerad i Naturfysik , kartlägger en fas i materialet som hittills är dåligt förstått, att avgränsa ett komplext tredimensionellt fasdiagram.
"Fallet med URu 2 Si 2 är ganska speciell, "William Knafo, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "En mystisk fas finns i detta system, men det har inte identifierats hittills, trots över 30 års forskning och flera hundra vetenskapliga artiklar som publicerats om detta ämne. Identifieringen av denna "dolda ordning" i URu 2 Si 2 är fortfarande ett av de mest utmanande problemen inom solid-state fysik. "
Istället för att försöka förstå den mystiska fasen av "dold ordning" i URu 2 Si 2 direkt, Knafo och hans kollegor ville samla nya element som i slutändan kan hjälpa denna strävan i framtiden. Mer specifikt, deras mål var att bestämma hur kombinationen av tre parametrar (dvs. magnetiskt fält, tryck, temperatur) påverkar fasens dolda ordning och möjliggör stabilisering av andra kvantfaser i materialet.
Upphovsman:Knafo et al.
"Våra experiment är toppmoderna för vad som kan göras idag genom att kombinera tre extrema förhållanden:höga magnetfält, högt tryck, och låga temperaturer, "Sa Knafo." Vi genererade höga magnetfält vid LNCMI-Toulouse, som är den pulserade fältplatsen för French National High Magnetic Field Laboratory, som i sin tur tillhör European Magnetic Field Laboratory. "
I deras experiment, Knafo och hans kollegor genererade pulserade magnetfält på upp till 60 teslas, som är ungefär 1 miljon gånger större än jordens magnetfält. Dessa pulser hade en total varaktighet av 300 millisekunder.
Forskarna använde sedan en generator gjord av kondensatorbanker, som hade en maximal energi på 14 megajoule men laddades med 3 megajoule, att generera flera tusen ampere ström och skicka den till en resistiv magnet. För närvarande, bara några få anläggningar i världen, ligger i Los Alamos (USA), Tokyo, Japan), Dresden (Tyskland), Wuhan (Kina) och Toulouse, är utrustade med de verktyg som krävs för att bedriva forskning som involverar magnetfält av denna intensitet.
"Vi använde en tryckcell som kan uppnå tryck upp till 4 gigapascal (40 tusen gånger högre än atmosfärstrycket) inuti en vanlig heliumkryostat med temperaturer ner till 1,4 kelvin, det är, 1,4 grader över den absoluta nollan (-273,15 ° C), "Knafo sa." Vi utförde elektriska motståndsmätningar på två små prover som passade inuti hålet med en diameter på 1 mm i hjärtat av tryckcellen. Ett prov var det undersökta materialet URu 2 Si 2 , medan det andra provet var en manometer. "
Till sist, forskarna svetsade fyra små elektriska kontakter (dvs. trådar med en diameter på 15 mikrometer) på deras URu 2 Si 2 prover. Detta tillät dem slutligen att mäta materialets elektriska motstånd. För att säkerställa framgången med deras experiment med pulserande magnetfält, proverna och trådarna de använde måste förberedas noggrant.
Upphovsman:Knafo et al.
"Huvudresultatet av vår studie är bestämningen av det tredimensionella fasdiagrammet för URu 2 Si 2 , där de tre dimensionerna är magnetfält, tryck och temperatur, "Sa Knafo." Vi fick gränserna för fasen för dold ordning, men också de från andra kvantfaser i detta system:en spinndensitetsvåg, antiferromagnetism, polariserad paramagnetism etc. "
Forskarna observerade att vid högt tryck, de fältinducerade spinndensitetsvågorna och faserna i dold ordning försvann från URu 2 Si 2 , men det uppvisade antiferromagnetism. Dessutom, de visade att en stor mängd fasgränser i materialet styrs av fältet och tryckberoendet för en specifik parameter.
Resultaten som samlats in av Knafo och hans kollegor sätter nya begränsningar som i slutändan kan informera befintliga eller nya teorier om elektroniska korrelationer och ordnade faser i URu 2 Si 2 . Mer specifikt, 3D-fasdiagrammet som beskrivs i deras papper kan vara ett viktigt steg framåt för att försöka modellera och förstå materialets svårfångade dolda ordningsfas, vilket i sin tur kan hjälpa till att avslöja ny fysik.
"Vi kommer nu att fortsätta vår undersökning av tunga fermionmaterial, "Knafo sa." Våra nuvarande verk fokuserar på det nya materialet UTe 2 , där ett spektakulärt och sällsynt fenomen har observerats:supraledning inducerad av ett magnetfält. Detta nya system är en av de bästa illustrationerna av samspelet mellan magnetism och supraledning i tunga fermionmaterial. "
© 2020 Science X Network
