Bland alla nyfikna tillstånd av materia som kan samexistera i ett kvantmaterial, tjafsar efter framträdande som temperatur, elektrontäthet och andra faktorer förändras, vissa forskare tycker att det finns en särskilt konstig sammansättning vid en enda skärningspunkt mellan faktorer, kallas den kvantkritiska punkten eller QCP.

"Kvantkritiska punkter är en mycket het fråga och intressant för många problem, " säger Wei-Sheng Lee, en stabsforskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och utredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). "Vissa tyder på att de till och med är analoga med svarta hål i den meningen att de är singulariteter - punktliknande skärningar mellan olika tillstånd av materia i ett kvantmaterial - där du kan få alla möjliga mycket konstiga elektronbeteende när du närmar dig dem. "

Lee och hans medarbetare rapporterade in Naturfysik idag att de har hittat starka bevis på att QCP och deras tillhörande fluktuationer finns. De använde en teknik som kallas resonant oelastisk röntgenspridning (RIXS) för att undersöka det elektroniska beteendet hos ett kopparoxidmaterial, eller kuprat, som leder elektricitet med perfekt effektivitet vid relativt höga temperaturer.

Dessa så kallade högtemperatursupraledare är ett livligt forskningsfält eftersom de kan ge upphov till noll-avfallsöverföring av energi, energieffektiva transportsystem och annan futuristisk teknik, även om ingen känner till den underliggande mikroskopiska mekanismen bakom supraledning vid hög temperatur ännu. Huruvida QCP finns i cuprates är också en hett debatterad fråga.

I experiment vid brittiska Diamond Light Source, laget kylde koppen till temperaturer under 90 kelvin (minus 183 grader Celsius), där det blev supraledande. De fokuserade sin uppmärksamhet på vad som kallas laddningsordning - alternerande ränder i materialet där elektroner och deras negativa laddningar är tätare eller glesare.

Forskarna exciterade kupraten med röntgenstrålar och mätte röntgenljuset som spreds in i RIXS-detektorn. Detta gjorde det möjligt för dem att kartlägga hur excitationerna fortplantade sig genom materialet i form av subtila vibrationer, eller fononer, i materialets atomgitter, som är svåra att mäta och kräver mycket högupplösta verktyg.

På samma gång, röntgenstrålar och fononer kan excitera elektroner i laddningsordningens ränder, vilket får ränderna att fluktuera. Eftersom data som erhållits av RIXS återspeglar kopplingen mellan beteendet hos laddningsränderna och fononernas beteende, genom att observera fononerna fick forskarna mäta beteendet hos laddningsorderremsorna, för.

Vad forskarna förväntade sig att se är att när laddningsordningens ränder blev svagare, deras excitationer skulle också försvinna. "Men det vi observerade var väldigt konstigt, " sa Lee. "Vi såg att när laddningsordningen blev svagare i det supraledande tillståndet, excitationerna för laddningsordern blev starkare. Detta är en paradox eftersom de borde gå hand i hand, och det är vad folk hittar i andra avgiftsbeställningssystem."

Han lade till, "Så vitt jag vet är detta det första experimentet om laddningsordning som har visat detta beteende. Vissa har föreslagit att detta är vad som händer när ett system är nära en kvantkritisk punkt, där kvantfluktuationer blir så starka att de smälter laddningsordningen, ungefär som att värma is ökar termiska vibrationer i sitt stela atomgitter och smälter det i vatten. Skillnaden är att kvantsmältning, i princip, inträffar vid noll temperatur." I det här fallet, Lee sa, de oväntat starka excitationerna i laddningsordningen som sågs med RIXS var manifestationer av dessa kvantfluktuationer.

Lee sa att teamet nu studerar dessa fenomen vid ett bredare temperaturintervall och vid olika dopningsnivåer - där föreningar tillsätts för att ändra tätheten av fritt rörliga elektroner i materialet - för att se om de kan spika fast exakt var det kvantkritiska poäng kan vara i detta material.

Thomas Devereaux, en teoretiker vid SIMES och senior författare till rapporten, noterade att många faser av materia kan vara sammanflätade i cuprates och andra kvantmaterial.

"Superledande och magnetiska tillstånd, laddningsorderränder och så vidare är så intrasslade att du kan vara i alla samtidigt, ", sa han. "Men vi har fastnat i vårt klassiska sätt att tänka att de måste vara antingen på ett eller annat sätt."

Här, han sa, "Vi har en effekt, och Wei-Sheng försöker mäta det i detalj, försöker se vad som händer."