Mesurer les propriétés des matériaux supraconducteurs dans des champs magnétiques à des températures proches du zéro absolu est difficile, mais nécessaire pour comprendre leurs propriétés quantiques. Quel froid? Inférieur à 0,05 Kelvin (-272°C).

"Pour de nombreux matériaux (quantiques) modernes, pour bien étudier les moindres détails de leur comportement en mécanique quantique, vous devez être cool. Plus frais qu'on ne le croyait possible, " a déclaré Rouslan Prozorov, un physicien au laboratoire Ames du département américain de l'Énergie, qui se spécialise dans le développement d'instruments qui mesurent exactement de telles choses.

Prozorov et son équipe de recherche ont développé une méthode pour mesurer les propriétés magnétiques des matériaux supraconducteurs et magnétiques qui présentent un comportement quantique inhabituel à très basse température dans des champs magnétiques élevés. La méthode est utilisée pour étudier le comportement critique quantique, mécanismes de la supraconductivité, frustration magnétique et transitions de phase dans les matériaux, dont beaucoup ont d'abord été fabriqués au laboratoire Ames.

Ils l'ont fait en plaçant un résonateur à diode tunnel, un instrument qui effectue des mesures précises par radiofréquence des propriétés magnétiques, dans un réfrigérateur à dilution, un dispositif cryogénique capable de refroidir des échantillons jusqu'à une plage de températures de milli-Kelvin. Bien que cela ait déjà été réalisé auparavant, les travaux antérieurs n'avaient pas la capacité d'appliquer de grands champs magnétiques statiques, ce qui est crucial pour l'étude des matériaux quantiques.

Le groupe de Prozorov a travaillé pour surmonter les difficultés techniques de maintenir des mesures magnétiques à haute résolution, tout en atteignant des températures ultra-froides jusqu'à 0,05 K et dans des champs magnétiques jusqu'à 14 tesla. Un circuit similaire a déjà été utilisé dans un champ magnétique très élevé (60 T) lorsque l'équipe a réalisé les expériences au Los Alamos National Lab.

« Lorsque nous avons installé le réfrigérateur à dilution pour la première fois, la blague était que mon labo avait les températures les plus froides de l'Iowa, " dit Prozorov, qui mène ses recherches là où les hivers du Midwest ne sont pas une question de rire. "Mais nous ne faisions pas ça juste pour le plaisir, pour voir jusqu'où nous pouvions aller. De nombreuses propriétés quantiques inhabituelles des matériaux ne peuvent être découvertes qu'à ces températures extrêmement basses."

Le groupe a étudié la symétrie d'appariement dans plusieurs supraconducteurs non conventionnels, cartographié un diagramme de phase très complexe dans un système avec un comportement critique quantique induit par le champ, et a récemment découvert des propriétés très inhabituelles d'un système spin-glace, "dont rien ne serait possible sans cette configuration, " a déclaré Prozorov.