Les électrons (nuages rouges et bleus) et les moments magnétiques intrinsèques des atomes (flèches) peuvent travailler ensemble pour induire la supraconductivité dans les bonnes conditions. L'application d'une pression peut aider à régler ces interactions. Crédit :Caltech
Refroidissez un matériau à des températures suffisamment basses et il cherchera une certaine forme d'ordre collectif. Ajouter la mécanique quantique ou confiner la géométrie et les états de la matière qui émergent peuvent être exotiques, y compris les électrons dont les spins s'arrangent en spirales, moulinets, ou cristaux.
Dans une paire de publications récentes dans Communication Nature , équipes dirigées par Thomas F. Rosenbaum de Caltech, professeur de physique et titulaire de la chaire présidentielle Sonja et William Davidow, rapportent comment ils ont combiné des champs magnétiques et des pressions élevées pour non seulement induire ces états à des températures ultra-basses, mais aussi pour les pousser entre des types concurrents d'ordre quantique.
Rosenbaum est un expert de la nature mécanique quantique des matériaux - la physique de l'électronique, magnétique, et les matériaux optiques au niveau atomique, qui sont mieux observés à des températures proches du zéro absolu. Dans le premier des deux articles, publié en juin et dirigé par Sara Haravifard, maintenant membre du corps professoral de l'Université Duke, l'équipe a pressé une collection de particules quantiques magnétiques dans une cellule de pression à des températures proches du zéro absolu et à des champs magnétiques supérieurs à 50, 000 fois plus fort que le champ terrestre, et découvert la formation de nouveaux types de motifs cristallins. La géométrie de ces motifs cristallins révèle non seulement la mécanique quantique sous-jacente des interactions entre les particules magnétiques, mais porte également sur les types d'états collectifs autorisés pour les systèmes atomiques, tels que ceux qui s'écoulent sans friction.
L'étudiant diplômé de Caltech Yishu Wang et le scientifique d'Argonne Yejun Feng travaillent à la station de recherche de l'Argonne National Lab/APS. Le montage expérimental est destiné à faire de la diffraction magnétique à basse température et haute pression. Crédit :Laboratoire National d'Argonne/APS
Dans le travail du deuxième article, publié en octobre et dirigé par l'étudiant diplômé de Caltech Yishu Wang et le scientifique d'Argonne Yejun Feng, Rosenbaum et ses collègues étudient également comment les matériaux s'équilibrent sur le fil du couteau entre différents types d'ordre quantique. Dans ce cas, cependant, les chercheurs se concentrent sur la relation entre le magnétisme et la supraconductivité - la disparition complète de la résistance électrique - et sur la relation entre ces propriétés lorsque le matériau change d'état sous les pressions réalisables dans une cellule à enclume de diamant.
Les chercheurs ont utilisé la source avancée de photons du laboratoire national d'Argonne pour étudier les propriétés magnétiques du métal de transition phosphure de manganèse (MnP) afin de voir comment il pourrait être possible de manipuler l'ordre des spins - les moments magnétiques intrinsèques des électrons - soit augmenter ou supprimer l'apparition de la supraconductivité.
La supraconductivité est un état dans un matériau dans lequel il n'y a pas de résistance au courant électrique et tous les champs magnétiques sont expulsés. Ce comportement résulte d'un "état quantique macroscopique" où tous les électrons d'un matériau agissent de concert pour se déplacer de manière coopérative à travers le matériau sans perte d'énergie.
Rosenbaum et ses collègues ont délimité un motif en spirale des moments magnétiques des électrons dans le MnP qui pourrait être ajusté en augmentant la pression pour induire la supraconductivité. Ici encore, la géométrie particulière du motif magnétique détenait la clé de l'état ultime atteint par le matériau. "Les expériences révèlent des opportunités manifestes pour trouver de nouveaux états de basse énergie via des substitutions pour le manganèse et le phosphore avec des éléments voisins du tableau périodique tels que le chrome et l'arsenic. La taxonomie des états quantiques admissibles et la capacité de les manipuler unissent des approches à travers la physique quantique et La technologie, " dit Rosenbaum.
Le premier papier, "Cristallisation des super-réseaux de spin avec pression et champ dans l'aimant en couches SrCu2(BO3)2, " a été publié le 20 juin, 2016. Les coauteurs incluent Daniel M. Silevitch, professeur-chercheur de physique à Caltech. Le travail à Caltech a été soutenu par la National Science Foundation. La recherche dans le deuxième article, intitulé « Ordre magnétique en spirale et supraconductivité induite par la pression dans les composés de métaux de transition » et publié le 6 octobre, a été financé à Caltech par un prix des sciences fondamentales de l'énergie du Département de l'énergie des États-Unis.
