Crédito:Knafo et al.
URu 2 Si 2 es un metal que pertenece a la familia de compuestos de fermiones pesados en los que varias fases cuánticas (p. ej., magnetismo y superconductividad) pueden competir o coexistir. Estos metales exhiben escalas de energía pequeñas que son fáciles de ajustar, una característica que los hace ideales para probar nuevas ideas y conceptos físicos.
Por ejemplo, Los investigadores a menudo han utilizado estos compuestos para probar teorías relacionadas con las transiciones de fase cuántica, criticidad cuántica y superconductividad no convencional. El estudio de metales de fermiones pesados podría finalmente revelar nuevas propiedades físicas de otros materiales de electrones correlacionados que se han mostrado prometedores para una amplia gama de aplicaciones. como superconductores de alta temperatura.
Un equipo de investigación del Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos (LNCMI / CNRS) en Francia y la Université Grenoble Alpes, en colaboración con investigadores de la Universidad de Okayama y la Universidad de Tohoku en Japón, recientemente llevó a cabo una investigación sistemática de URu 2 Si 2 bajo una combinación de altas presiones y altos campos magnéticos. Su papel publicado en Física de la naturaleza , traza una fase en el material que hasta ahora no se comprende bien, delineando un diagrama de fase tridimensional complejo.
"El caso de URu 2 Si 2 es bastante particular, "William Knafo, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Existe una fase misteriosa en este sistema, pero no se ha identificado hasta ahora, a pesar de más de 30 años de investigación y los varios cientos de artículos científicos publicados sobre este tema. La identificación de este 'orden oculto' en URu 2 Si 2 sigue siendo uno de los problemas más desafiantes de la física del estado sólido ".
En lugar de intentar comprender la misteriosa fase de 'orden oculto' en URu 2 Si 2 directamente, Knafo y sus colegas querían reunir nuevos elementos que, en última instancia, pudieran ayudar en esta búsqueda en el futuro. Más específicamente, su objetivo era determinar cómo la combinación de tres parámetros (es decir, campo magnético, presión, temperatura) influye en la fase de orden oculto y permite la estabilización de otras fases cuánticas en el material.
Crédito:Knafo et al.
"Nuestros experimentos son el estado de la técnica de lo que se puede hacer hoy al combinar tres condiciones extremas:campos magnéticos altos, altas presiones, y bajas temperaturas, ", Dijo Knafo." Generamos campos magnéticos altos en el LNCMI-Toulouse, que es el sitio de campo pulsado del Laboratorio Nacional Francés de Alto Campo Magnético, que a su vez pertenece al Laboratorio Europeo de Campos Magnéticos ".
En sus experimentos, Knafo y sus colegas generaron campos magnéticos pulsados de hasta 60 teslas, que es aproximadamente 1 millón de veces mayor que el campo magnético de la Tierra. Estos pulsos tuvieron una duración total de 300 milisegundos.
Luego, los investigadores utilizaron un generador hecho de bancos de condensadores, que tenía una energía máxima de 14 megajulios pero se cargó a 3 megajulios, para generar varios miles de amperios de corriente y enviarlos a un imán resistivo. En la actualidad, solo unas pocas instalaciones en el mundo, situado en Los Alamos (EE. UU.), Tokio, Japón), Dresde (Alemania), Wuhan (China) y Toulouse, están equipados con las herramientas necesarias para realizar investigaciones que involucren campos magnéticos de esta intensidad.
"Usamos una celda de presión que puede alcanzar presiones de hasta 4 gigapascales (40 mil veces más alta que la presión atmosférica) dentro de un criostato de helio estándar con temperaturas de hasta 1,4 kelvin, es decir, 1,4 grados por encima del cero absoluto (-273,15 ° C), ", Dijo Knafo." Realizamos mediciones de resistencia eléctrica en dos muestras pequeñas que encajaban dentro del orificio de 1 mm de diámetro en el corazón de la celda de presión. Una muestra fue el material investigado URu 2 Si 2 , mientras que la segunda muestra era un manómetro ".
Finalmente, los investigadores soldaron cuatro pequeños contactos eléctricos (es decir, alambres con un diámetro de 15 micrómetros) en su URu 2 Si 2 muestras. Esto finalmente les permitió medir la resistencia eléctrica del material. Para asegurar el éxito de su experimento con campos magnéticos pulsados, las muestras y los cables que utilizaban debían prepararse cuidadosamente.
Crédito:Knafo et al.
"El principal logro de nuestro estudio es la determinación del diagrama de fase tridimensional de URu 2 Si 2 , donde las tres dimensiones son campo magnético, presión y temperatura, ", Dijo Knafo." Obtuvimos los límites de la fase de orden oculto, pero también los de otras fases cuánticas en este sistema:una onda de densidad de espín, antiferromagnetismo, paramagnetismo polarizado, etc. "
Los investigadores observaron que a altas presiones, la onda de densidad de espín inducida por el campo y las fases de orden oculto desaparecieron de URu 2 Si 2 , sin embargo, exhibió antiferromagnetismo. Es más, demostraron que una gran cantidad de límites de fase en el material están controlados por el campo y la dependencia de la presión de un parámetro específico.
Los hallazgos recopilados por Knafo y sus colegas establecen nuevas restricciones que, en última instancia, podrían informar las teorías existentes o emergentes sobre correlaciones electrónicas y fases ordenadas en URu. 2 Si 2 . Más específicamente, el diagrama de fase 3-D descrito en su artículo podría ser un importante paso adelante para tratar de modelar y comprender la elusiva fase de orden oculto del material, lo que a su vez podría ayudar a desvelar una nueva física.
"Ahora continuaremos nuestra investigación de materiales de fermiones pesados, ", Dijo Knafo." Nuestros trabajos actuales se centran en el nuevo material UTe 2 , donde se ha observado un fenómeno espectacular y poco común:la superconductividad inducida por un campo magnético. Este nuevo sistema es una de las mejores ilustraciones de la interacción entre el magnetismo y la superconductividad en materiales de fermiones pesados ".
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