En nyligen genomförd serie experiment vid National High Magnetic Field Laboratory (National MagLab) vid Los Alamos National Laboratory utnyttjade några av landets mest kraftfulla oförstörande magneter för att avslöja en exotisk ny fas av materia vid höga magnetfält. Experimenten studerade den ovanliga Kondo-isolatorn ytterbium dodecaboride (eller YbB12) och var de första resultaten från den nya 75-tesla duplexmagneten inrymd vid National MagLabs Pulsed Field Facility i Los Alamos.

"Denna magnet och de resulterande experimenten är de första frukterna av National Science Foundation-stödda pulserande magneter, sa Michael Rabin, chef för Pulsed Field Facility i Los Alamos. "Ökningen skapar nya vetenskapliga möjligheter i intervallet 75-85 tesla - vilket så småningom leder till en utökad portfölj av några av de mest kraftfulla oförstörande magnetfälten i världen."

Forskare från University of Michigan, Kyoto University och Los Alamos genomförde forskningen, publicerades förra veckan i Naturfysik .

I Kondo isolatorer, det finns en ovanlig kvantmekanisk blandning av mobila elektroner och magnetiska atomer, göra dessa material attraktiva som modellsystem för grundläggande vetenskap, elektroniska apparater, och möjligen kvantberäkning. Till skillnad från enkla metaller och isolatorer, YbB12 uppvisar egenskaper hos båda - dess elektriska motstånd beter sig som en isolator, men det visar också tydligt kvantoscillationer vid höga magnetfält som är en grundläggande metallisk egenskap.

"En uppsjö av teorier har dykt upp för att förklara sådant beteende, sa John Singleton, en stipendiat vid MagLabs Los Alamos campus och medförfattare på tidningen. "Vissa fysiker tror att detta är en inkarnation av kondenserad materia av neutrala Majorana-fermioner, enheter som normalt utforskas inom partikelfysik."

För att testa dessa teorier, forskargruppen ville observera hur de neutrala fermioner som de hittade i YbB12 reagerade på extrema förhållanden. De höga magnetfälten i den nya 75-tesla duplexmagneten som finns tillgänglig på National MagLabs Pulsed Field Facility användes för att undertrycka de isolerande egenskaperna hos YbB12 och mäta kvantoscillationer och olika egenskaper som påverkas av närvaron av de neutrala fermionerna.

"De extra 10 tesla ovanför våra standardpulsade magneter som tillhandahålls av duplexmagneten gjorde det möjligt för detta nya tillstånd av materia - exotiska fermioner som gradvis drunknar i ett hav av normala elektroner - att spåras över ett brett spektrum av magnetiska fält för första gången, " sa Singleton. Detta bekräftade att de observerade fenomenen definitivt var associerade med de neutrala fermionerna och gav ett test av de olika teoretiska modellerna.

Duplexmagneten är ett resultat av en "magnetökning" i Pulsed Field Facility som stöds av National Science Foundation. Syftet med ökningen är att skapa nya och utökade vetenskapliga kapaciteter i 75-85 tesla-serien. Duplexmagnetsystemet är tillgängligt för forskare från hela världen för att utföra sina egna experiment, och en 85-tesla duplexmagnet och nödvändig stödteknik är under utveckling.

Dessa nya pulsade magneter drivs enbart av kondensatorbanker utan att förlita sig på Los Alamos-generatorn som driver den mycket större 100 tesla-magneten. Generatorn är för närvarande offline för reparationer och underhåll, så magneter från vågen fyller ett viktigt tomrum för fysik av kondenserad materia i höga magnetfält.

De nya magneterna kallas duplexmagneter eftersom de är gjorda av två koncentriska elektromagnetspolar (solenoider) som drivs oberoende av separata kondensatorbanksmoduler. När generatorn är online igen, Teknik som utvecklats av den pulserande magneten kommer att kombineras med Los Alamos största magneter för att ytterligare utöka MagLabs vetenskapliga kapacitet.