En una transición de fase clásica de segundo orden, Los sistemas de materia condensada adquieren un orden de largo alcance al enfriarse por debajo de la temperatura de transición, y las propiedades cercanas a la transición son impulsadas por fluctuaciones térmicas. Estos comportamientos han sido explicados durante mucho tiempo por la teoría de las transiciones de fase de Landau, que conduce a la noción de universalidad, por lo que los sistemas con componentes microscópicos muy diferentes exhiben ciertos comportamientos macroscópicos universales cercanos a una transición de fase.

Algunos sistemas de materia condensada, sin embargo, se puede ajustar para que la transición de fase se suprima a temperatura cero en un punto crítico cuántico (QCP), donde los comportamientos ya no son impulsados ​​por fluctuaciones térmicas, sino más bien por fluctuaciones cuánticas que surgen como consecuencia del principio de incertidumbre de Heisenberg.

Los sistemas de fermiones pesados ​​son materiales metálicos que constan de una red de electrones no apareados bien localizados (típicamente electrones 4f o 5f), y un mar de electrones de conducción. Estos son ideales para estudiar puntos críticos cuánticos, dado que existe un delicado equilibrio entre las interacciones magnéticas, que conducen a un patrón ordenado de momentos magnéticos, y entrelazamiento entre los espines de los electrones localizados y de conducción, que apaga los momentos magnéticos.

Aplicando presión o campos magnéticos a sistemas de fermiones pesados, los experimentadores pueden ajustar el equilibrio entre estas interacciones, y por lo tanto pueden suprimir la transición a la fase ordenada magnéticamente a temperaturas más bajas, eventualmente alcanzando un punto crítico cuántico de temperatura cero.

Los puntos críticos cuánticos alcanzados al suprimir una transición antiferromagnética tienen, durante muchos años, ha sido un escenario importante para explorar la física novedosa. Esto incluye fases inusuales de la materia, como la superconductividad magnética, así como el desglose del comportamiento líquido de Fermi, lo que significa que las excitaciones electrónicas ya no corresponden a las de un fluido de electrones, sino a los de un 'extraño metal', donde magnitudes físicas como la resistividad eléctrica y la capacidad calorífica exhiben una dependencia inusual de la temperatura. Un comportamiento tan extraño del metal se encuentra en algunas clases diferentes de materiales cuánticos, y se cree que está íntimamente relacionado con la superconductividad de alta temperatura de los superconductores de cuprato.

Por otra parte, Los puntos críticos cuánticos generalmente no se encuentran al suprimir una transición ferromagnética, y teóricamente se predijo que no ocurrirían en materiales ferromagnéticos limpios y libres de desorden. En lugar de, intentar suprimir la transición ferromagnética conduce a la desaparición abrupta de primer orden del orden magnético, o un cambio de estado de base magnético. Recientemente, El profesor Yuan y su equipo en el Centro de Materia Correlacionada, La Universidad de Zhejiang ha anulado este consenso prevaleciente al descubrir que la aplicación de presión puede suprimir sin problemas el orden ferromagnético en el sistema de fermiones pesados ​​y limpios CeRh6Ge4 a temperatura cero. alcanzando un punto crítico cuántico ferromagnético.

Presurizaron monocristales de alta calidad de CeRh6Ge4 y midieron la resistividad eléctrica y la capacidad calorífica a temperaturas muy bajas de hasta 40 mK. para rastrear el destino de la transición ferromagnética con presión. Al aplicar 0,8 GPa de presión, se encontró que la transición ferromagnética se suprime por completo, y en su lugar se revela una fase de 'metal extraño', con una dependencia de la temperatura lineal de la resistividad, y una divergencia logarítmica del coeficiente de calor específico (Figura 1), que son comportamientos notablemente similares a los que se encuentran en los superconductores de cuprato.

Para revelar el origen de este comportamiento inesperado, que previamente se predijo que sería imposible, Los investigadores del Center for Correlated Matter realizaron una amplia gama de estudios experimentales de seguimiento. De particular importancia es caracterizar la estructura electrónica de CeRh6Ge4, que podría abordar cuestiones clave como si el punto crítico cuántico ferromagnético en CeRh6Ge4 es un punto crítico cuántico de tipo local "no convencional" acompañado por la deslocalización de los electrones Ce-4f; ¿El acoplamiento espín-órbita inducido por la simetría de inversión rota en la red cristalina ayuda a dar lugar a los comportamientos críticos cuánticos? y cuál es el papel que juega la disposición cuasi unidimensional de las cadenas de Ce en la estructura cristalina.

Primero midieron las oscilaciones cuánticas de monocristales de CeRh6Ge4 de muy alta calidad para diferentes direcciones del campo magnético aplicado, y comparó los resultados con los esperados de los cálculos utilizando la teoría funcional de la densidad (Fig. 2). Los resultados fueron publicados en Boletín de ciencia .

Este estudio reveló dos hallazgos importantes. El camino libre de media de los cristales de CeRh6Ge4 es extremadamente grande, lo que significa que la dispersión de los electrones de conducción por defectos u otras fuentes de desorden es mínima. Esto demuestra que su observación de la supresión del ferromagnetismo por presión no fue inducida por el desorden, pero es una característica intrínseca de CeRh6Ge4 puro. En segundo lugar, encontraron una buena concordancia entre sus resultados y los cálculos de la estructura de la banda con electrones Ce 4f completamente localizados, y escasa concordancia cuando se incluyeron los electrones 4f y se asumió que eran itinerantes. Esto muestra que CeRh6Ge4 es distinto de los ejemplos anteriores de ferromagnetos itinerantes donde los puntos críticos cuánticos están ausentes, sugiriendo que el ferromagnetismo con momentos locales es crucial para realizar puntos críticos cuánticos ferromagnéticos. Es más, Estos resultados están en línea con las expectativas de criticidad cuántica de tipo local, pero la prueba irrefutable de este escenario sería la observación de una reconstrucción de las bandas electrónicas bajo presión cuando CeRh6Ge4 se sintoniza a través del punto crítico cuántico.

Al mismo tiempo, La dependencia del momento de la estructura electrónica de CeRh6Ge4 también se probó utilizando espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES), donde se publicaron los resultados en Cartas de revisión física .

Aquí pudieron examinar la dependencia de la temperatura del estado electrónico de los electrones 4f a lo largo de diferentes direcciones de momento. Descubrieron que la fuerza de la hibridación entre el 4f y los electrones de conducción es altamente anisotrópica, y es mucho más fuerte paralelo a las cadenas Ce que a lo largo de direcciones perpendiculares. Esta evidencia directa de acoplamiento anisotrópico es muy inusual en sistemas de fermiones pesados, e indica que la disposición unidimensional de los momentos magnéticos también podría ser un ingrediente clave para la criticidad cuántica ferromagnética.