Misurando con precisione l'entropia di una lega d'oro rame-cerio con proprietà elettroniche sconcertanti raffreddata quasi allo zero assoluto, fisici in Germania e negli Stati Uniti hanno raccolto nuove prove sulle possibili cause della superconduttività ad alta temperatura e di fenomeni simili.

"Questa dimostrazione fornisce una base per comprendere meglio come si verificano nuovi comportamenti come la superconduttività ad alta temperatura quando determinati tipi di materiali vengono raffreddati fino a un punto critico quantistico, " ha detto il fisico della Rice University Qimiao Si, coautore di un nuovo studio sulla ricerca di questa settimana Fisica della natura .

La ricerca sperimentale è stata guidata da Hilbert von Löhneysen del Karlsruhe Institute of Technology di Karlsruhe, Germania. La squadra di Löhneysen, compreso l'autore principale dello studio Kai Grube, trascorse un anno conducendo dozzine di esperimenti su un composto fatto di rame cerio e oro. Studiando l'effetto dello stress, o pressione applicata in direzioni specifiche, e rendendo i materiali molto freddi, il team ha modificato sottilmente la spaziatura tra gli atomi nei composti metallici cristallini e quindi ha alterato le loro proprietà elettroniche.

Le leghe d'oro al cerio e rame sono "fermioni pesanti, " uno dei tanti tipi di materiali quantistici che esibiscono proprietà elettroniche esotiche quando è molto freddo. I più noti sono i superconduttori ad alta temperatura, così chiamati per la loro capacità di condurre corrente elettrica con resistenza nulla a temperature ben superiori a quelle dei tradizionali superconduttori. I fermioni pesanti mostrano una stranezza diversa:i loro elettroni sembrano essere effettivamente centinaia di volte più massicci del normale e, altrettanto insolito, la massa effettiva dell'elettrone sembra variare fortemente al variare della temperatura.

Questi strani comportamenti sfidano le teorie fisiche tradizionali. Si verificano anche a temperature molto fredde e si verificano quando i materiali sono sintonizzati su una "transizione di fase quantistica" - un cambiamento da uno stato all'altro, come il ghiaccio che si scioglie. Nel 2001, Si e colleghi hanno proposto una nuova teoria:al punto critico quantistico, gli elettroni fluttuano tra due stati quantistici completamente diversi, tanto che la loro massa effettiva diventa infinitamente grande. La teoria prevedeva alcuni segni rivelatori quando si avvicinava il punto critico quantistico, e Si ha lavorato con fisici sperimentali negli ultimi 16 anni per raccogliere prove a sostegno della teoria.

"Acqua liquida e ghiaccio sono due degli stati classici in cui può esistere H2O, " disse Si, direttore del Rice Center for Quantum Materials. "Il ghiaccio è una fase molto ordinata perché le molecole di H2O sono disposte ordinatamente in un reticolo cristallino. L'acqua è meno ordinata rispetto al ghiaccio, ma le molecole d'acqua che scorrono hanno ancora un ordine sottostante. Il punto critico è dove le cose fluttuano tra questi due tipi di ordine. È il punto in cui le molecole di H2O vogliono seguire lo schema secondo il ghiaccio e vogliono seguire lo schema secondo l'acqua.

"È molto simile in una transizione di fase quantistica, " ha detto. "Anche se questa transizione è guidata dalla meccanica quantistica, è ancora un punto critico in cui c'è la massima fluttuazione tra due stati ordinati. In questo caso, le fluttuazioni sono legate all'ordinamento degli 'spin' degli elettroni nel materiale."

Lo spin è una proprietà intrinseca, come il colore degli occhi, e lo spin di ogni elettrone è classificato come "su" o "giù". Nei magneti, come il ferro, gli spin sono allineati nella stessa direzione. Ma molti materiali mostrano il comportamento opposto:i loro giri si alternano in una ripetizione verso l'alto, fuori uso, su, down pattern che i fisici chiamano "antiferromagnetico".

Centinaia di esperimenti su fermioni pesanti, superconduttori ad alta temperatura e altri materiali quantistici hanno scoperto che l'ordine magnetico differisce su entrambi i lati di un punto critico quantistico. Tipicamente, gli esperimenti trovano l'ordine antiferromagnetico in una gamma di composizione chimica, e un nuovo stato d'ordine dall'altra parte del punto critico.

"Un'immagine ragionevole è che si possa avere un ordine di spin antiferromagnetico, dove i giri sono abbastanza ordinati, e puoi avere un altro stato in cui gli spin sono meno ordinati, " disse Si, Harry C. di Rice e Olga K. Wiess Professore di Fisica e Astronomia. "Il punto critico è dove le fluttuazioni tra questi due stati sono al loro massimo".

Il composto cerio-rame-oro è diventato un prototipo di materiale fermionico pesante per la criticità quantistica, in gran parte dovuto al lavoro del gruppo di von Löhneysen.

"Nel 2000, abbiamo fatto esperimenti di diffusione anelastica di neutroni nel sistema critico quantistico cerio-rame gold, " ha detto von Löhneysen. "Abbiamo trovato un profilo spazio-temporale così insolito che non poteva essere compreso nei termini della teoria standard del metallo".

Si ha detto che lo studio è stato uno dei fattori importanti che ha stimolato lui e i suoi coautori a offrire la loro teoria del 2001, che ha contribuito a spiegare i risultati sconcertanti di von Löhneysen. Negli studi successivi, Si e colleghi hanno anche previsto che l'entropia, una proprietà termodinamica classica, sarebbe aumentata all'aumentare delle fluttuazioni quantistiche vicino a un punto critico quantistico. Le proprietà ben documentate dell'oro rame-cerio hanno fornito un'opportunità unica per testare la teoria, Si ha detto.

In cerio rame-sei, la sostituzione di piccole quantità di oro al rame consente ai ricercatori di aumentare leggermente la spaziatura tra gli atomi. Nella composizione critica, le leghe subiscono una transizione di fase quantistica antiferromagnetica. Studiando questa composizione e misurando l'entropia numerose volte in diverse condizioni di stress, il team di Karlsruhe è stato in grado di creare una mappa 3D che mostrava come l'entropia a temperature molto basse ma finite aumentasse costantemente man mano che il sistema si avvicinava al punto critico quantistico.

Non esiste una misura diretta dell'entropia, ma il rapporto tra le variazioni di entropia e lo stress è direttamente proporzionale a un altro rapporto che può essere misurato:la quantità di espansione o di contrazione del campione a causa delle variazioni di temperatura. Per consentire le misurazioni alle temperature straordinariamente basse richieste, il team di Karlsruhe ha sviluppato un metodo per misurare con precisione variazioni di lunghezza inferiori a un decimo di trilionesimo di metro, circa un millesimo del raggio di un singolo atomo.

"Abbiamo misurato l'entropia in funzione dello stress applicato lungo tutte le diverse direzioni principali, " disse Grube, un ricercatore senior presso il Karlsruhe Institute of Technology. "Abbiamo realizzato una mappa dettagliata del paesaggio dell'entropia nello spazio dei parametri multidimensionali e verificato che il punto critico quantistico si trova in cima alla montagna di entropia".

Von Löhneysen ha affermato che le misurazioni termodinamiche forniscono anche nuove informazioni sulle fluttuazioni quantistiche vicino al punto critico.

"Sorprendentemente, questa metodologia ci consente di ricostruire il profilo spaziale sottostante delle fluttuazioni critiche quantistiche in questo materiale critico quantistico, " ha detto. "Questa è la prima volta che questo tipo di metodologia è stata applicata".

Si ha detto che è stata una sorpresa che questo potesse essere fatto usando nient'altro che misurazioni dell'entropia.

"È abbastanza notevole che il paesaggio dell'entropia possa connettersi così bene con il profilo dettagliato delle fluttuazioni critiche quantistiche determinate da esperimenti microscopici come lo scattering anelastico di neutroni, tanto più quando entrambi finiscono per fornire prove dirette a sostegno della teoria, " Egli ha detto.

Più generalmente, la dimostrazione del pronunciato aumento dell'entropia in un punto critico quantistico in uno spazio parametrico multidimensionale solleva nuove intuizioni sul modo in cui le interazioni elettrone-elettrone danno origine alla superconduttività ad alta temperatura, Si ha detto.

"Un modo per alleviare l'entropia accumulata di un punto critico quantistico è che gli elettroni nel sistema si riorganizzino in nuove fasi, " ha detto. "Tra le possibili fasi che ne conseguono c'è la superconduttività non convenzionale, in cui gli elettroni si accoppiano e formano uno stato quantistico macroscopico coerente."