El físico de la Universidad de Rice, Qimiao Si, comenzó a mapear la criticidad cuántica hace más de una década, y finalmente ha encontrado un viajero que puede atravesar la última frontera.

El viajero es una aleación de cerio paladio y aluminio, y su viaje se describe en un estudio publicado en línea esta semana en Física de la naturaleza por Si, un físico teórico y director del Rice Center for Quantum Materials (RCQM), y colegas en China, Alemania y Japón.

El mapa de Si es un gráfico llamado diagrama de fase, una herramienta que los físicos de la materia condensada suelen utilizar para interpretar lo que sucede cuando un material cambia de fase, como cuando un bloque sólido de hielo se derrite en agua líquida.

Las regiones en el mapa de Si son áreas donde los electrones siguen diferentes conjuntos de reglas, y el artículo describe cómo los investigadores utilizaron la disposición geométrica de los átomos en la aleación en combinación con varias presiones y campos magnéticos para alterar la trayectoria de la aleación y llevarla a una región donde los físicos solo han podido especular sobre las reglas que gobiernan el comportamiento de los electrones. .

"Esa es la esquina, o porción, de esta hoja de ruta a la que todo el mundo realmente quiere acceder, "Si dijo, apuntando al lado superior izquierdo del diagrama de fase, en lo alto del eje vertical marcado con G. "A la comunidad le ha costado un gran esfuerzo examinar los materiales candidatos que tienen la característica de la frustración geométrica, que es una forma de realizar esta gran G. "

La frustración proviene de la disposición de los átomos de cerio en la aleación en una serie de triángulos equiláteros. El arreglo de celosía kagome se llama así debido a su similitud con los patrones de las cestas kagome japonesas tradicionales. y la disposición triangular asegura que giros, los estados magnéticos de los electrones, no pueden organizarse como lo harían normalmente bajo ciertas condiciones. Esta frustración proporcionó una palanca experimental que Si y sus colaboradores podrían usar para explorar una nueva región del diagrama de fase donde el límite entre dos estados bien estudiados y bien entendidos, uno marcado por una disposición ordenada de espines de electrones y el otro por desorden. —Divió.

"Si comienzas con un pedido, patrón antiferromagnético de espines de arriba hacia abajo, arreglo de arriba hacia abajo, hay varias formas de suavizar este patrón duro de los giros, "dijo Si, el profesor Harry C. y Olga K. Wiess en el Departamento de Física y Astronomía de Rice. "Una forma es mediante el acoplamiento a un fondo de electrones de conducción, y a medida que cambia las condiciones para mejorar este acoplamiento, los giros se vuelven cada vez más revueltos. Cuando la lucha es lo suficientemente fuerte, el patrón ordenado se destruye, y terminas con una fase no ordenada, una fase paramagnética ".

Los físicos pueden trazar este viaje del orden al desorden como una línea en un diagrama de fases. En el ejemplo anterior, la línea comenzaría en una región marcada como "AF" para la fase antiferromagnética, y continúe a través de un borde en una región vecina marcada "P" para paramagnético. El cruce de fronteras es el "punto crítico cuántico" donde miles de millones y billones de electrones actúan al unísono. ajustando sus posturas para ajustarse a las reglas del régimen en el que acaban de entrar.

Si es uno de los principales defensores de la criticidad cuántica, un marco teórico que busca describir y predecir el comportamiento de los materiales cuánticos en relación con estos puntos críticos y cambios de fase.

"Lo que hace la frustración geométrica es extender el proceso en el que el orden de giro se vuelve cada vez más frágil para que ya no sea solo un punto por el que pasa el sistema en el camino hacia el desorden, ", dijo." De hecho, ese punto se divide en una región separada, con bordes distintos a cada lado ".

Si dijo el equipo, que incluyó a los coautores correspondientes y socios de RCQM Frank Steglich del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Dresde, Alemania y Peijie Sun de la Academia de Ciencias de China en Beijing, realizaron experimentos que proporcionaron evidencia de que la aleación de cerio paladio y aluminio sufre dos cruces fronterizos.

Los físicos han realizado numerosos experimentos para ver cómo se comportan diversos materiales en la fase ordenada donde la aleación comenzó su viaje y en la fase desordenada donde terminó. pero Si dijo que estos son los primeros experimentos para trazar un camino a través de la fase intermedia que está habilitado por un alto grado de frustración geométrica.

Dijo que las mediciones de las propiedades electrónicas de la aleación a medida que pasaba por la región no podían explicarse por las teorías tradicionales que describen el comportamiento de los metales. lo que significa que la aleación se comportó como un metal "extraño" en el territorio misterioso.

"El sistema actuó como una especie de líquido de centrifugado, aunque sea metálico, " él dijo.

Si dijo que los resultados demuestran que la frustración geométrica se puede utilizar como principio de diseño para crear metales extraños.

“Eso es significativo porque las excitaciones electrónicas inusuales en metales extraños son también las propiedades exóticas subyacentes de otros materiales cuánticos fuertemente correlacionados, incluyendo la mayoría de los superconductores de alta temperatura, " él dijo.