Credito:Knafo et al.
URu 2 si 2 è un metallo che appartiene alla famiglia dei composti fermionici pesanti in cui diverse fasi quantistiche (es. magnetismo e superconduttività) possono competere o coesistere. Questi metalli mostrano piccole scale di energia che sono facili da sintonizzare, una caratteristica che li rende ideali per testare nuove idee e concetti fisici.
Ad esempio, i ricercatori hanno spesso utilizzato questi composti per testare teorie relative alle transizioni di fase quantistiche, Criticità quantistica e superconduttività non convenzionale. Lo studio dei metalli a fermioni pesanti potrebbe infine svelare nuove proprietà fisiche di altri materiali di elettroni correlati che si sono dimostrati promettenti per un'ampia gamma di applicazioni, come i superconduttori ad alta temperatura.
Un gruppo di ricerca presso il National Laboratory of High Magnetic Fields (LNCMI/CNRS) in Francia e l'Université Grenoble Alpes, in collaborazione con ricercatori della Okayama University e della Tohoku University in Giappone, ha recentemente effettuato un'indagine sistematica su URu 2 si 2 sotto una combinazione di alte pressioni e alti campi magnetici. La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , delinea una fase del materiale finora poco conosciuta, delineando un complesso diagramma di fase tridimensionale.
"Il caso di URu 2 si 2 è abbastanza particolare, "William Knafo, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Esiste una fase misteriosa in questo sistema, ma finora non è stato identificato, nonostante oltre 30 anni di ricerca e le diverse centinaia di articoli scientifici pubblicati su questo argomento. L'identificazione di questo 'ordine nascosto' in URu 2 si 2 rimane uno dei problemi più impegnativi nella fisica dello stato solido".
Invece di cercare di capire la misteriosa fase di "ordine nascosto" in URu 2 si 2 direttamente, Knafo e i suoi colleghi volevano raccogliere nuovi elementi che potessero in definitiva aiutare questa ricerca in futuro. Più specificamente, il loro obiettivo era determinare come la combinazione di tre parametri (cioè, campo magnetico, pressione, temperatura) influenza la fase di ordine nascosto e consente la stabilizzazione di altre fasi quantistiche nel materiale.
Credito:Knafo et al.
"I nostri esperimenti sono lo stato dell'arte di ciò che si può fare oggi combinando tre condizioni estreme:campi magnetici elevati, alte pressioni, e basse temperature, " Knafo ha detto. "Abbiamo generato campi magnetici elevati presso l'LNCMI-Tolosa, che è il sito di campo pulsato del Laboratorio Nazionale Francese di Alto Campo Magnetico, che a sua volta appartiene al Laboratorio europeo di campi magnetici."
Nei loro esperimenti, Knafo e i suoi colleghi hanno generato campi magnetici pulsati fino a 60 tesla, che è circa 1 milione di volte maggiore del campo magnetico terrestre. Questi impulsi avevano una durata totale di 300 millisecondi.
I ricercatori hanno quindi utilizzato un generatore costituito da banchi di condensatori, che aveva un'energia massima di 14 megajoule ma era caricata a 3 megajoule, per generare diverse migliaia di ampere di corrente e inviarla a un magnete resistivo. Attualmente, solo poche strutture al mondo, con sede a Los Alamos (USA), Tokyo, Giappone), Dresda (Germania), Wuhan (Cina) e Tolosa, sono dotati degli strumenti necessari per condurre ricerche su campi magnetici di questa intensità.
"Abbiamo utilizzato una cella di pressione in grado di raggiungere pressioni fino a 4 gigapascal (40 mila volte superiori alla pressione atmosferica) all'interno di un criostato ad elio standard con temperature fino a 1,4 kelvin, questo è, 1,4 gradi sopra lo zero assoluto (-273,15 °C), "Knafo ha detto. "Abbiamo eseguito misurazioni della resistenza elettrica su due piccoli campioni che si adattavano all'interno del foro di 1 mm di diametro nel cuore della cella di pressione. Un campione era il materiale studiato URu 2 si 2 , mentre il secondo campione era un manometro."
Finalmente, i ricercatori hanno saldato quattro minuscoli contatti elettrici (cioè, fili con un diametro di 15 micrometri) sul loro URu 2 si 2 campioni. Questo alla fine ha permesso loro di misurare la resistenza elettrica del materiale. Per garantire il successo del loro esperimento sui campi magnetici pulsati, i campioni ei fili che usavano dovevano essere preparati con cura.
Credito:Knafo et al.
"Il risultato principale del nostro studio è la determinazione del diagramma di fase tridimensionale di URu 2 si 2 , dove le tre dimensioni sono il campo magnetico, pressione e temperatura, " Disse Knafo. "Abbiamo ottenuto i confini della fase dell'ordine nascosto, ma anche quelli di altre fasi quantistiche in questo sistema:un'onda di densità di spin, antiferromagnetismo, paramagnetismo polarizzato ecc."
I ricercatori hanno osservato che ad alte pressioni, l'onda di densità di spin indotta dal campo e le fasi di ordine nascosto sono scomparse da URu 2 si 2 , eppure mostrava antiferromagnetismo. Inoltre, hanno mostrato che una grande quantità di confini di fase nel materiale è controllata dal campo e dalla dipendenza dalla pressione di un parametro specifico.
I risultati raccolti da Knafo e dai suoi colleghi stabiliscono nuovi vincoli che potrebbero in definitiva informare le teorie esistenti o emergenti sulle correlazioni elettroniche e le fasi ordinate in URu 2 si 2 . Più specificamente, il diagramma di fase 3-D delineato nel loro articolo potrebbe essere un importante passo avanti nel tentativo di modellare e comprendere la sfuggente fase di ordine nascosto del materiale, che a sua volta potrebbe aiutare a svelare una nuova fisica.
"Ora continueremo la nostra indagine sui materiali a fermioni pesanti, " Knafo ha detto. "I nostri lavori attuali si concentrano sul nuovo materiale UTe 2 , dove è stato osservato un fenomeno spettacolare e raro:la superconduttività indotta da un campo magnetico. Questo nuovo sistema è una delle migliori illustrazioni dell'interazione tra magnetismo e superconduttività nei materiali a fermioni pesanti".
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