In una classica transizione di fase del secondo ordine, i sistemi di materia condensata acquisiscono un ordine a lungo raggio quando si raffreddano al di sotto della temperatura di transizione, e le proprietà vicino alla transizione sono guidate dalle fluttuazioni termiche. Questi comportamenti sono stati a lungo spiegati dalla teoria di Landau delle transizioni di fase, che porta alla nozione di universalità, per cui i sistemi con costituenti microscopici molto diversi mostrano certi comportamenti macroscopici universali vicini a una transizione di fase.

Alcuni sistemi di materia condensata, però, può essere sintonizzato in modo che la transizione di fase venga soppressa a temperatura zero in un punto critico quantistico (QCP), dove i comportamenti non sono più guidati dalle fluttuazioni termiche, ma piuttosto da fluttuazioni quantistiche derivanti dal principio di indeterminazione di Heisenberg.

I sistemi di fermioni pesanti sono materiali metallici costituiti da un reticolo di elettroni spaiati ben localizzati (tipicamente elettroni 4f o 5f), e un mare di elettroni di conduzione. Questi sono ideali per studiare i punti critici quantistici, poiché esiste un delicato equilibrio tra le interazioni magnetiche, che portano a un modello ordinato di momenti magnetici, e l'entanglement tra gli spin degli elettroni localizzati e di conduzione, che spegne i momenti magnetici.

Applicando pressione o campi magnetici a sistemi di fermioni pesanti, gli sperimentatori possono regolare l'equilibrio tra queste interazioni, e quindi possono sopprimere la transizione alla fase ordinata magneticamente a temperature più basse, alla fine raggiungendo un punto critico quantistico a temperatura zero.

I punti critici quantistici raggiunti dopo aver soppresso una transizione antiferromagnetica hanno, per molti anni, stato un importante scenario per esplorare la nuova fisica. Ciò include fasi insolite della materia come la superconduttività magnetica, così come la rottura del comportamento del liquido di Fermi, nel senso che le eccitazioni elettroniche non corrispondono più a quelle di un fluido di elettroni, ma invece a quelli di uno 'strano metallo', dove grandezze fisiche come la resistività elettrica e la capacità termica mostrano un'insolita dipendenza dalla temperatura. Questo strano comportamento del metallo si trova in alcune classi diverse di materiali quantistici, e si pensa che sia intimamente legato alla superconduttività ad alta temperatura dei superconduttori cuprati.

D'altra parte, i punti critici quantistici non si trovano generalmente alla soppressione di una transizione ferromagnetica, e teoricamente si prevedeva che non si verificassero in materiali ferromagnetici puliti e privi di disordine. Anziché, il tentativo di sopprimere la transizione ferromagnetica porta alla brusca scomparsa del primo ordine dell'ordine magnetico, o un cambiamento di stato fondamentale magnetico. Recentemente, Il prof. Yuan e il suo team presso il Center for Correlated Matter, L'Università di Zhejiang ha ribaltato questo consenso prevalente scoprendo che l'applicazione della pressione può sopprimere agevolmente l'ordine ferromagnetico nel sistema pulito di fermioni pesanti CeRh6Ge4 a temperatura zero, raggiungere un punto critico quantistico ferromagnetico.

Hanno pressurizzato cristalli singoli di alta qualità di CeRh6Ge4 e misurato la resistività elettrica e la capacità termica a temperature molto basse fino a 40 mK, al fine di tracciare il destino della transizione ferromagnetica con la pressione. Applicando 0,8 GPa di pressione, si è scoperto che la transizione ferromagnetica è completamente soppressa, e invece si svela una fase 'strano metallo', con una dipendenza lineare dalla temperatura della resistività, e una divergenza logaritmica del coefficiente di calore specifico (Fig.1), che sono comportamenti notevolmente simili a quelli trovati nei superconduttori cuprati.

Per svelare l'origine di questo comportamento imprevisto, che in precedenza era previsto impossibile, un'ampia gamma di studi sperimentali di follow-up è stata eseguita dai ricercatori del Center for Correlated Matter. Di particolare importanza è caratterizzare la struttura elettronica di CeRh6Ge4, che potrebbe affrontare questioni chiave come se il punto critico quantistico ferromagnetico in CeRh6Ge4 sia un punto critico quantistico di tipo locale "non convenzionale" accompagnato dalla delocalizzazione degli elettroni Ce-4f; l'accoppiamento spin-orbita indotto dalla rottura della simmetria di inversione nel reticolo cristallino aiuta a dare origine ai comportamenti critici quantistici; e qual è il ruolo giocato dalla disposizione quasi unidimensionale delle catene del Ce nella struttura cristallina.

Hanno prima misurato le oscillazioni quantistiche di cristalli singoli di altissima qualità di CeRh6Ge4 per diverse direzioni del campo magnetico applicato, e confrontato i risultati con quelli attesi dai calcoli utilizzando la teoria del funzionale della densità (Fig. 2). I risultati sono stati pubblicati in Bollettino Scientifico .

Questo studio ha rivelato due importanti risultati. Il cammino libero medio dei cristalli CeRh6Ge4 è estremamente ampio, il che significa che la dispersione degli elettroni di conduzione da parte di difetti o altre fonti di disturbo è minima. Ciò dimostra che la loro osservazione della soppressione del ferromagnetismo per pressione non è stata indotta dal disordine, ma è una caratteristica intrinseca del CeRh6Ge4 puro. In secondo luogo, hanno trovato un buon accordo tra i loro risultati e i calcoli della struttura a bande con elettroni Ce 4f completamente localizzati, e scarso accordo quando gli elettroni 4f sono stati inclusi e considerati itineranti. Ciò mostra che CeRh6Ge4 è distinto dai precedenti esempi di ferromagneti itineranti in cui i punti critici quantistici sono assenti, suggerendo che il ferromagnetismo con momenti locali è cruciale per realizzare punti critici quantistici ferromagnetici. Per di più, questi risultati sono in linea con le aspettative per la criticità quantistica di tipo locale, ma la pistola fumante per questo scenario sarebbe l'osservazione di una ricostruzione delle bande elettroniche sotto pressione quando CeRh6Ge4 è sintonizzato attraverso il punto critico quantistico.

Allo stesso tempo, la dipendenza dal momento della struttura elettronica di CeRh6Ge4 è stata anche sondata utilizzando la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES), dove sono stati pubblicati i risultati in Lettere di revisione fisica .

Qui sono stati in grado di esaminare la dipendenza dalla temperatura dello stato elettronico degli elettroni 4f lungo diverse direzioni del momento. Hanno scoperto che la forza dell'ibridazione tra il 4f e gli elettroni di conduzione è altamente anisotropa, ed è molto più forte parallelamente alle catene Ce che lungo le direzioni perpendicolari. Tale evidenza diretta dell'accoppiamento anisotropo è altamente insolita nei sistemi di fermioni pesanti, e indica che la disposizione unidimensionale dei momenti magnetici potrebbe anche essere un ingrediente chiave per la criticità quantistica ferromagnetica.