Le physicien de l'Université Rice, Qimiao Si, a commencé à cartographier la criticité quantique il y a plus de dix ans, et il a enfin trouvé un voyageur capable de traverser la dernière frontière.

Le voyageur est un alliage de cérium palladium et d'aluminium, et son parcours est décrit dans une étude publiée en ligne cette semaine dans Physique de la nature par Si, un physicien théoricien et directeur du Rice Center for Quantum Materials (RCQM), et collègues en Chine, Allemagne et Japon.

La carte de Si est un graphe appelé diagramme de phases, un outil que les physiciens de la matière condensée utilisent souvent pour interpréter ce qui se passe lorsqu'un matériau change de phase, comme lorsqu'un bloc solide de glace fond en eau liquide.

Les régions sur la carte de Si sont des zones où les électrons suivent différents ensembles de règles, et l'article décrit comment les chercheurs ont utilisé la disposition géométrique des atomes dans l'alliage en combinaison avec diverses pressions et champs magnétiques pour modifier le chemin de l'alliage et l'amener dans une région où les physiciens n'ont pu que spéculer sur les règles qui régissent le comportement des électrons .

"C'est le coin, ou portion, de cette feuille de route à laquelle tout le monde veut vraiment accéder, " Si dit, pointant vers le côté supérieur gauche du diagramme de phase, en haut de l'axe vertical marqué G. « Il a fallu à la communauté un effort considérable pour examiner les matériaux candidats qui présentent la caractéristique de la frustration géométrique, ce qui est une façon de réaliser ce grand G."

La frustration provient de la disposition des atomes de cérium dans l'alliage en une série de triangles équilatéraux. L'arrangement en treillis kagome est ainsi nommé en raison de sa similitude avec les motifs des paniers kagome traditionnels japonais, et la disposition triangulaire garantit que les rotations, les états magnétiques des électrons, ne peuvent pas s'arranger comme ils le feraient normalement dans certaines conditions. Cette frustration a fourni un levier expérimental que Si et ses collaborateurs ont pu utiliser pour explorer une nouvelle région du diagramme de phase où la frontière entre deux états bien étudiés et bien compris, l'un marqué par un arrangement ordonné des spins des électrons et l'autre par le désordre. - divergé.

"Si vous commencez avec une commande, motif antiferromagnétique de spins dans un sens ascendant-descendant, disposition haut-bas, il y a plusieurs façons d'adoucir ce motif dur des vrilles, " dit Si, le professeur Harry C. et Olga K. Wiess au département de physique et d'astronomie de Rice. "Une façon est de se coupler à un fond d'électrons de conduction, et comme vous changez les conditions pour améliorer ce couplage, les tours deviennent de plus en plus brouillés. Quand le brouillage est assez fort, le motif commandé est détruit, et vous vous retrouvez avec une phase non ordonnée, une phase paramagnétique."

Les physiciens peuvent tracer ce voyage de l'ordre au désordre sous la forme d'une ligne sur un diagramme de phases. Dans l'exemple ci-dessus, la ligne commencerait dans une région marquée "AF" pour la phase antiferromagnétique, et continuer à travers une frontière dans une région voisine marquée "P" pour paramagnétique. Le passage de la frontière est le "point critique quantique" où des milliards et des milliards d'électrons agissent à l'unisson, ajustant leurs positions pour se conformer aux règles du régime qu'ils viennent d'entrer.

Si est l'un des principaux partisans de la criticité quantique, un cadre théorique qui cherche à décrire et prédire le comportement des matériaux quantiques par rapport à ces points critiques et changements de phase.

"Ce que fait la frustration géométrique, c'est d'étendre le processus où l'ordre de rotation devient de plus en plus fragile pour que ce ne soit plus seulement un point par lequel le système passe en route pour être désordonné, " dit-il. " En fait, ce point se divise en quelque sorte en une région distincte, avec des bordures distinctes de chaque côté."

Si a dit l'équipe, qui comprenait les auteurs co-correspondants et les partenaires du RCQM Frank Steglich du Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids à Dresde, Allemagne et Peijie Sun de l'Académie chinoise des sciences à Pékin, ont effectué des expériences qui ont fourni la preuve que l'alliage d'aluminium cérium palladium subit deux passages frontaliers.

Les physiciens ont mené de nombreuses expériences pour voir comment divers matériaux se comportent dans la phase ordonnée où l'alliage a commencé son voyage et dans la phase désordonnée où il s'est terminé, mais Si a déclaré que ce sont les premières expériences à tracer un chemin à travers la phase intermédiaire qui est permis par un degré élevé de frustration géométrique.

Il a déclaré que les mesures des propriétés électroniques de l'alliage lors de son passage dans la région ne pouvaient pas être expliquées par les théories traditionnelles qui décrivent le comportement des métaux, ce qui signifie que l'alliage s'est comporté comme un métal "étrange" dans le territoire mystérieux.

"Le système a agi comme une sorte de liquide de rotation, bien que métallique, " il a dit.

Si a déclaré que les résultats démontrent que la frustration géométrique peut être utilisée comme principe de conception pour créer des métaux étranges.

"C'est important parce que les excitations électroniques inhabituelles dans les métaux étranges sont également les propriétés exotiques sous-jacentes d'autres matériaux quantiques fortement corrélés, y compris la plupart des supraconducteurs à haute température, " il a dit.