Ett internationellt team av forskare från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, och kollegor från USA och Schweiz har framgångsrikt kombinerat olika extrema experimentella förhållanden på ett helt unikt sätt, avslöjar spännande insikter i de mystiska ledningsegenskaperna hos den kristallina metallen CeRhin ₅ . I journalen Naturkommunikation , de rapporterar om sin utforskning av tidigare okända områden i fasdiagrammet för denna metall, som anses vara ett lovande modellsystem för att förstå okonventionella supraledare.

"Först, vi applicerar ett tunt lager guld på en mikroskopiskt liten enkristall. Sedan använder vi en jonstråle för att skära ut små mikrostrukturer. I ändarna av dessa strukturer, vi fäster ultratunna platinatejper för att mäta motstånd längs olika riktningar under extremt höga tryck, som vi genererar med en diamantstädtryckcell. Dessutom, vi applicerar mycket kraftfulla magnetfält på provet vid temperaturer nära absolut noll."

För den genomsnittliga personen, detta kan låta som en övernitisk fysikers nyckfulla fantasi, men egentligen, det är en faktisk beskrivning av det experimentella arbetet utfört av Dr. Toni Helm från HZDR:s High Magnetic Field Laboratory (HLD) och hans kollegor från Tallahassee, Los Alamos, Lausanne och Dresden. Väl, åtminstone delvis, eftersom den här beskrivningen bara antyder de många utmaningar det innebär att kombinera sådana extremer samtidigt. Denna stora insats är, självklart, inte ett mål i sig:forskarna försöker gå till botten med några grundläggande frågor om fasta tillståndets fysik.

Provet som studerades är cer-rhodium-indium-fem (CeRhIn ₅ ), en metall med överraskande egenskaper som man inte helt förstår ännu. Forskare beskriver det som en okonventionell elektrisk ledare med extremt tunga laddningsbärare, i vilken, under vissa förutsättningar, elektrisk ström kan flyta utan förluster. Det antas att nyckeln till denna supraledning ligger i metallens magnetiska egenskaper. De centrala frågorna som undersöks av fysiker som arbetar med sådana korrelerade elektronsystem inkluderar:Hur organiserar sig tunga elektroner kollektivt? Hur kan detta orsaka magnetism och supraledning? Och vad är förhållandet mellan dessa fysiska fenomen?

En expedition genom fasdiagrammet

Fysikerna är särskilt intresserade av metallens fasdiagram, en sorts karta vars koordinater är tryck, magnetisk fältstyrka, och temperatur. Om kartan ska vara meningsfull, forskarna måste avslöja så många platser som möjligt i detta koordinatsystem, precis som en kartograf som utforskar okänt territorium. Faktiskt, det framväxande diagrammet är inte olikt terrängen i ett landskap.

När de sänker temperaturen till nästan fyra grader över den absoluta nollpunkten, fysikerna observerar magnetisk ordning i metallprovet. Vid denna tidpunkt, de har ett antal alternativ:De kan kyla ner provet ytterligare och utsätta det för höga tryck, tvingar fram en övergång till supraledande tillstånd. Om, å andra sidan, de ökar bara det externa magnetfältet till 600, 000 gånger styrkan av jordens magnetfält, den magnetiska ordningen är också undertryckt; dock, materialet går in i ett tillstånd som kallas "elektroniskt nematiskt".

Denna term är lånad från fysiken för flytande kristaller, där den beskriver en viss rumslig orientering av molekyler med lång räckviddsordning över större ytor. Forskarna antar att det elektroniskt nematiska tillståndet är nära kopplat till fenomenet okonventionell supraledning. Den experimentella miljön på HLD ger optimala förutsättningar för ett så komplext mätprojekt. De stora magneterna genererar relativt långvariga pulser och ger tillräckligt med utrymme för komplexa mätmetoder under extrema förhållanden.

Experiment på gränsen ger en glimt av framtiden

Experimenten har ytterligare några speciella egenskaper. Till exempel, arbete med högpulsade magnetfält skapar virvelströmmar i de metalliska delarna av experimentuppställningen, som kan generera oönskad värme. Forskarna har därför tillverkat de centrala komponenterna av ett speciellt plastmaterial som dämpar denna effekt och fungerar tillförlitligt nära den absoluta nollpunkten. Genom mikrotillverkningen med fokuserade jonstrålar, de producerar en provgeometri som garanterar en högkvalitativ mätsignal.

"Mikrostrukturering kommer att bli mycket viktigare i framtida experiment. Det är därför vi tog in den här tekniken i laboratoriet direkt, säger Helm, tillägger:"Så vi har nu sätt att komma åt och gradvis tränga in i dimensioner där kvantmekaniska effekter spelar en stor roll." Han är också säker på att den kunskap han och hans team har skaffat sig kommer att bidra till forskning om högtemperatursupraledare eller nya kvantteknologier.