具有竞争性量子相的重金属化合物的三维相图

导读 URu2Si2是一种属于重金属元素化合物的金属,其中几个量子相(例如,磁性和超导性)可以竞争或共存。这些金属显示出易于调节的小能级,这一特

URu2Si2是一种属于重金属元素化合物的金属,其中几个量子相(例如,磁性和超导性)可以竞争或共存。这些金属显示出易于调节的小能级,这一特性使其非常适合测试新的物理思想和观念。

例如,研究人员经常使用这些化合物来测试与量子相变,量子临界性和非常规超导性有关的理论。对重金属的研究最终将揭示其他相关电子材料的新物理特性,这些材料已显示出广阔的应用前景,例如高温超导体。

法国高磁场实验室(LNCMI / CNRS)和格勒诺布尔阿尔卑斯大学的研究小组与冈山大学和东北大学的研究人员合作,最近在组合下对URu2Si2进行了系统研究。高压和高磁场。他们的论文发表在《自然物理学》上,描绘了迄今知之甚少的材料中的一个相,描绘了一个复杂的三维相图。

进行这项研究的研究人员之一威廉·纳夫(William Knafo)对Phys.org说:“ URu2Si2的情况非常特殊。”“该系统中存在一个神秘的阶段,尽管有30多年的研究和有关该主题的数百篇科学论文,但到目前为止尚未确定。在URu2Si2中识别此“隐藏顺序”仍然是固态物理学中最具挑战性的问题之一。”

Knafo和他的同事们没有试图直接理解URu2Si2中神秘的“隐藏顺序”阶段,而是希望收集新的元素,这些元素最终可以在将来帮助完成这一任务。更具体地说,他们的目标是确定三个参数(即磁场,压力,温度)的组合如何影响隐藏顺序相并实现材料中其他量子相的稳定化。

纳夫说:“我们的实验是当今可以通过结合三种极端条件进行的最新技术:高磁场,高压和低温。”“我们在LNCMI-Toulouse产生了高磁场,这是法国高磁场实验室的脉冲场,而后者又属于欧洲磁场实验室。”

在实验中,Knafo和他的同事产生了高达60特斯拉的脉冲磁场,这大约是地球磁场的100万倍。这些脉冲的总持续时间为300毫秒。

然后,研究人员使用了由电容器组制成的发电机,该发电机的最大能量为14兆焦耳,但充电时为3兆焦耳,可产生数千安培的电流并将其发送至电阻磁体。目前,世界上只有少数几个设施位于的洛斯阿拉莫斯,东京(),德累斯顿(德国),武汉()和图卢兹,配备了进行这种强度磁场研究所需的工具。 。

“我们使用的压力传感器可以在标准氦低温恒温器内达到高达4吉帕斯卡(比大气压高4万倍)的压力,温度低至1.4开尔文,即比绝对零值(-273.15°C高1.4度) ),” Knafo说。“我们对两个小样品进行了电阻测量,这些小样品安装在压力传感器中心1毫米直径的孔内。一个样品是被研究材料URu2Si2,而第二个样品是压力计。”

最后,研究人员将四个微小的电触点(即直径为15微米的电线)焊接到了URu2Si2样品上。最终,他们可以测量材料的电阻。为了确保他们的涉及脉冲磁场的实验成功,必须仔细准备他们使用的样品和电线。

“我们研究的主要成就是确定了URu2Si2的三维相图,其中三维是磁场,压力和温度,” Knafo说。“我们获得了隐藏阶相的边界,还获得了该系统中其他量子相的边界:自旋密度波,反铁磁,极化顺磁等。”

研究人员观察到,在高压下,场诱导的自旋密度波和隐阶相从URu2Si2消失,但表现出反铁磁性。此外,他们表明,材料中的大量相边界受特定参数的场和压力依赖性控制。

Knafo和他的同事收集的发现设定了新的约束条件,这些约束条件最终可以为有关URu2Si2中电子相关性和有序相的现有理论或新兴理论提供信息。更具体地说,他们的论文中概述的3-D相图可能是尝试建模和理解材料的难以捉摸的隐序相的重要一步,这反过来可能有助于揭示新的物理学。

纳夫说:“我们现在将继续对重费米子材料进行调查。”“我们目前的工作集中在新材料UTe2上,在该材料中观察到了一种罕见的现象:磁场感应的超导性。这一新系统是重费米子材料中磁与超导性相互作用的最好例证之一。 ”。

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