I en klassisk andra ordningens fasövergång, system med kondenserat material får lång räckvidd vid kylning under övergångstemperaturen, och fastigheterna nära övergången drivs av termiska fluktuationer. Dessa beteenden har länge förklarats av Landau-teorin om fasövergångar, som leder till föreställningen om universalitet, varvid system med mycket olika mikroskopiska beståndsdelar uppvisar vissa universella makroskopiska beteenden nära en fasövergång.

Vissa system för kondenserad materia, dock, kan ställas in så att fasövergången undertrycks till noll temperatur vid en kvantkritisk punkt (QCP), där beteenden inte längre drivs av termiska fluktuationer, utan snarare av kvantfluktuationer som uppstår som en konsekvens av Heisenbergs osäkerhetsprincip.

Tunga fermionsystem är metalliska material som består av både ett gitter av vällokaliserade oparade elektroner (vanligtvis 4f eller 5f elektroner), och ett hav av ledningselektroner. Dessa är idealiska för att studera kvantkritiska punkter, eftersom det finns en känslig balans mellan magnetiska interaktioner, som leder till ett ordnat mönster av magnetiska moment, och intrassling mellan spinn av de lokaliserade elektronerna och ledningselektronerna, som släcker de magnetiska momenten.

Genom att applicera tryck eller magnetfält på tunga fermionsystem, experimentörer kan justera balansen mellan dessa interaktioner, och därför kan de undertrycka övergången till den magnetiskt ordnade fasen till lägre temperaturer, så småningom nå en nolltemperatur kvantkritisk punkt.

Kvantkritiska punkter som nås vid undertryckning av en antiferromagnetisk övergång har, under många år, varit en viktig miljö för att utforska ny fysik. Detta inkluderar ovanliga faser av materia som magnetisk supraledning, samt nedbrytningen av Fermi-vätskebeteende, vilket betyder att de elektroniska excitationerna inte längre motsvarar de hos en vätska av elektroner, men istället till de av en "konstig metall", där fysiska storheter såsom den elektriska resistiviteten och värmekapaciteten uppvisar ett ovanligt temperaturberoende. Sådant konstigt metallbeteende finns i några olika klasser av kvantmaterial, och tros vara intimt kopplad till den höga temperatursupraledningsförmågan hos kupratsupraledarna.

Å andra sidan, kvantkritiska punkter hittas i allmänhet inte vid undertryckning av en ferromagnetisk övergång, och teoretiskt förutspåddes de inte förekomma i rena, oordningsfria ferromagnetiska material. Istället, försök att undertrycka den ferromagnetiska övergången leder antingen till det plötsliga första ordningens försvinnande av magnetisk ordning, eller en förändring av magnetiskt jordtillstånd. Nyligen, Prof. Yuan och hans team vid Center for Correlated Matter, Zhejiang University har kullkastat denna rådande konsensus genom sin upptäckt att applicering av tryck smidigt kan undertrycka ferromagnetisk ordning i det rena tunga fermionsystemet CeRh6Ge4 till noll temperatur, nå en ferromagnetisk kvantkritisk punkt.

De trycksatte högkvalitativa enkristaller av CeRh6Ge4 och mätte den elektriska resistiviteten och värmekapaciteten vid mycket låga temperaturer ner till 40mK, för att spåra ödet för den ferromagnetiska övergången med tryck. Vid applicering av 0,8 GPa tryck, det visade sig att den ferromagnetiska övergången är helt undertryckt, och istället avslöjas en "konstig metall"-fas, med ett linjärt temperaturberoende av resistiviteten, och en logaritmisk divergens av den specifika värmekoefficienten (Fig. 1), som är anmärkningsvärt liknande beteenden som finns i kupratsupraledarna.

För att avslöja ursprunget till detta oväntade beteende, som tidigare förutspåddes vara omöjligt, en lång rad uppföljande experimentella studier utfördes av forskare vid Center for Correlated Matter. Av särskild vikt är att karakterisera den elektroniska strukturen hos CeRh6Ge4, som skulle kunna ta itu med nyckelfrågor som huruvida den ferromagnetiska kvantkritiska punkten i CeRh6Ge4 är en "okonventionell" lokal typ av kvantkritisk punkt åtföljd av delokaliseringen av Ce-4f-elektronerna; hjälper spin-omloppskopplingen inducerad av bruten inversionssymmetri i kristallgittret till att ge upphov till kvantkritiska beteenden; och vilken roll spelar det kvasi-endimensionella arrangemanget av Ce-kedjor i kristallstrukturen.

De mätte först kvantoscillationer av enkristaller av mycket hög kvalitet av CeRh6Ge4 för olika riktningar av det applicerade magnetfältet, och jämförde resultaten med de förväntade från beräkningar med användning av densitetsfunktionsteori (fig. 2). Resultaten publicerades i Vetenskapsbulletin .

Denna studie visade två viktiga resultat. Den medelfria vägen för CeRh6Ge4-kristallerna är extremt stor, vilket innebär att spridningen av ledningselektronerna genom defekter eller andra störningskällor är minimal. Detta visar att deras observation av undertryckandet av ferromagnetism genom tryck inte inducerades av oordning, men är en inneboende egenskap hos ren CeRh6Ge4. För det andra, de fann god överensstämmelse mellan deras resultat och beräkningar av bandstrukturen med helt lokaliserade Ce 4f-elektroner, och dålig överensstämmelse när 4f-elektronerna ingick och antogs vara ambulerande. Detta visar att CeRh6Ge4 skiljer sig från tidigare exempel på ambulerande ferromagneter där kvantkritiska punkter saknas, antyder att ferromagnetism med lokala moment är avgörande för att realisera ferromagnetiska kvantkritiska punkter. Vidare, dessa resultat är i linje med förväntningarna på lokal typ av kvantkriticitet, men den rykande pistolen för detta scenario skulle vara observationen av en rekonstruktion av de elektroniska banden under tryck när CeRh6Ge4 ställs in genom den kvantkritiska punkten.

På samma gång, momentumberoendet för den elektroniska strukturen av CeRh6Ge4 undersöktes också med hjälp av vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES), där resultaten publicerades Fysiska granskningsbrev .

Här kunde de undersöka temperaturberoendet för det elektroniska tillståndet för 4f-elektronerna längs olika momentumriktningar. De fann att styrkan i hybridiseringen mellan 4f och ledningselektronerna är mycket anisotropisk, och är mycket starkare parallellt med Ce-kedjorna än den är längs vinkelräta riktningar. Sådana direkta bevis för anisotrop koppling är mycket ovanligt i tunga fermionsystem, och indikerar att det endimensionella arrangemanget av magnetiska moment också kan vara en nyckelingrediens för ferromagnetisk kvantkriticitet.