Исследование, появившееся в январе. В 20 выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences описываются результаты серии экспериментов со слоистым композитом из церия, родия и индия. В ходе экспериментов впервые было проверено предсказание теории происхождения квантовой критичности, опубликованное физиком Райс Цимиао Си и его коллегами в 2001 году.
«Наша теория была неожиданностью в то время, потому что она порвала с рамками учебника и предполагала, что широкий спектр явлений, включая высокотемпературную сверхпроводимость, может быть объяснен только с точки зрения коллективного поведения сильно коррелированных электронов, а не с помощью более знакомая теория, основанная на существенно разделенных электронах », — сказал Си, соавтор-корреспондент нового исследования и Гарри К. и Ольга К. Wiess профессор физики и астрономии.
Экспериментальные доказательства в поддержку теории увеличились за последнее десятилетие, и исследование PNAS заполняет еще один пробел. В ходе экспериментов исследователи исследовали высококачественные образцы материала с тяжелыми фермионами, известного как CeRhIn5.
Материалы с тяжелыми фермионами, такие как CeRhIn5, являются прототипами систем квантовой критичности.
В этих материалах электроны имеют тенденцию действовать согласованно, и даже один электрон, движущийся через систему, вызывает широко распространенные эффекты. Такое поведение «коррелированного электрона» сильно отличается от взаимодействия электронов в обычном металле, таком как медь, и физики все больше убеждаются, что поведение коррелированных электронов играет важную роль в таких явлениях, как сверхпроводимость и квантовая критичность.
Квантовые критические точки, вблизи которых эти странные коррелированные эффекты особенно выражены, отмечают плавный фазовый переход или переход от одного состояния вещества к другому.
Подобно тому, как таяние льда включает переход из твердого состояния в жидкое, электронное состояние квантовых материалов изменяется, когда материал охлаждается до квантовой критической точки.
Критическая температура материала может быть повышена или понижена, если материал химически изменен, помещен под высокое давление или помещен в сильный магнит. В новых экспериментах, которые проводились с использованием оборудования с сильным магнитным полем в Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико и в Университете штата Флорида, исследователи наблюдали магнитно-индуцированную квантовую критическую точку при атмосферном давлении и сравнивали ее с ранее изученным случаем квантовая критическая точка, вызванная давлением.
Природа квантовой критической точки была исследована с помощью так называемой «поверхности Ферми», своего рода трехмерной карты, которая представляет коллективные энергетические состояния всех электронов в материале.
Когда физики ранее пытались описать квантовые фазовые переходы с использованием традиционных теорий, уравнения диктовали, что поверхность Ферми должна изменяться плавно и постепенно, когда материал проходит через критическую точку. В этом случае большинство электронов на поверхности Ферми все еще слабо связаны друг с другом.
Напротив, теория Si предсказывает, что поверхность Ферми претерпевает радикальный и мгновенный сдвиг в критической точке.
Электроны на всей поверхности Ферми становятся прочно связанными, что приводит к появлению свойств странного металла, которые допускают необычные электронные состояния, включая сверхпроводимость.
«Поверхность Ферми» — это своего рода трехмерная карта, представляющая коллективные энергетические состояния электронов в материале. Эти созданные компьютером иллюстрации показывают, как изменяется поверхность Ферми для CeRhIn5 в зависимости от того, сильно ли взаимодействуют электроны (слева) или слабо (справа).
Кредит: Q. Si / Университет Райса и J.Икс. Чжу / Лос-Аламосская национальная лаборатория
«Мы наблюдали именно ту резкую реконструкцию поверхности Ферми, которую предсказывает теория нетрадиционной квантовой критичности», — сказал соавтор исследования Франк Стеглих, директор Института химической физики твердого тела им. Макса Планка в Дрездене, Германия, а также Центра. по коррелированным веществам в Чжэцзянском университете в Ханчжоу, Китай.
Физик Чжэцзян Хуэйцю Юань, соавтор исследования, сказал: «Наши эксперименты демонстрируют, что прямые измерения поверхности Ферми могут различать теоретически предложенные модели квантовой критичности и указывать на универсальное описание квантовых фазовых переходов."
Металлы с тяжелыми фермионами и высокотемпературные сверхпроводники являются примерами квантовой материи, а новое исследование является примером новаторских совместных исследований, которые Райс надеется провести с новым Райс-центром квантовых материалов.
Си, который также руководит новым центром, сказал: «Наше исследование демонстрирует прогресс в области квантовых материалов, который может быть достигнут благодаря сотрудничеству в области теории, синтеза материалов и спектроскопических измерений.
В Центре квантовых материалов Райса мы стремимся развивать этот тип синергии как внутри Университета Райса, так и посредством сотрудничества с нашими внутренними и международными партнерскими учреждениями."
Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Министерством энергетики, Национальной программой фундаментальных исследований Китая, Национальным научным фондом Китая, Немецким исследовательским фондом, Фондом естественных наук провинции Чжэцзян, штатом Флорида и Фондом Роберта А. Фонд Уэлча.