URu 2 Si 2 est un métal qui appartient à la famille des composés à fermions lourds dans lesquels plusieurs phases quantiques (par exemple, magnétisme et supraconductivité) peuvent rivaliser ou coexister. Ces métaux présentent de petites échelles d'énergie qui sont faciles à régler, une caractéristique qui les rend idéales pour tester de nouvelles idées et concepts physiques.

Par exemple, les chercheurs ont souvent utilisé ces composés pour tester des théories liées aux transitions de phase quantiques, criticité quantique et supraconductivité non conventionnelle. L'étude des métaux à fermions lourds pourrait finalement dévoiler de nouvelles propriétés physiques d'autres matériaux à électrons corrélés qui se sont révélés prometteurs pour un large éventail d'applications, comme les supraconducteurs à haute température.

Une équipe de recherche au Laboratoire National des Hauts Champs Magnétiques (LNCMI/CNRS) en France et à l'Université Grenoble Alpes, en collaboration avec des chercheurs de l'Université d'Okayama et de l'Université de Tohoku au Japon, a récemment mené une enquête systématique sur URu 2 Si 2 sous une combinaison de hautes pressions et de champs magnétiques élevés. Leur papier, Publié dans Physique de la nature , cartographie une phase du matériau jusqu'à présent mal comprise, délimitant un diagramme de phase tridimensionnel complexe.

"Le cas de URu 2 Si 2 est assez particulier, " Guillaume Knafo, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Une phase mystérieuse existe dans ce système, mais il n'a pas encore été identifié, malgré plus de 30 ans de recherche et les plusieurs centaines d'articles scientifiques publiés sur ce sujet. L'identification de cet 'ordre caché' dans URu 2 Si 2 reste l'un des problèmes les plus difficiles de la physique du solide."

Au lieu d'essayer de comprendre la mystérieuse phase "d'ordre caché" dans URu 2 Si 2 directement, Knafo et ses collègues voulaient rassembler de nouveaux éléments qui pourraient finalement aider cette quête à l'avenir. Plus précisement, leur objectif était de déterminer comment la combinaison de trois paramètres (c. champ magnétique, pression, température) influence la phase d'ordre caché et permet la stabilisation d'autres phases quantiques dans le matériau.

« Nos expériences sont à la pointe de ce qui peut être fait aujourd'hui en combinant trois conditions extrêmes :des champs magnétiques élevés, hautes pressions, et basses températures, " a déclaré Knafo. " Nous avons généré des champs magnétiques élevés au LNCMI-Toulouse, qui est le site champ pulsé du Laboratoire National des Hauts Champs Magnétiques, qui à son tour appartient au Laboratoire Européen du Champ Magnétique."

Dans leurs expériences, Knafo et ses collègues ont généré des champs magnétiques pulsés allant jusqu'à 60 teslas, qui est environ 1 million de fois plus grand que le champ magnétique terrestre. Ces impulsions avaient une durée totale de 300 millisecondes.

Les chercheurs ont ensuite utilisé un générateur constitué de batteries de condensateurs, qui avait une énergie maximale de 14 mégajoules mais était chargée à 3 mégajoules, pour générer plusieurs milliers d'ampères de courant et l'envoyer à un aimant résistif. Actuellement, seulement quelques installations dans le monde, situé à Los Alamos (États-Unis), Tokyo, Japon), Dresde (Allemagne), Wuhan (Chine) et Toulouse, sont équipés des outils nécessaires pour mener des recherches impliquant des champs magnétiques de cette intensité.

"Nous avons utilisé une cellule de pression qui peut atteindre des pressions jusqu'à 4 gigapascals (40 mille fois plus élevées que la pression atmosphérique) à l'intérieur d'un cryostat à hélium standard avec des températures allant jusqu'à 1,4 kelvin, C'est, 1,4 degré au-dessus du zéro absolu (-273,15 °C), " a déclaré Knafo. "Nous avons effectué des mesures de résistance électrique sur deux petits échantillons placés à l'intérieur du trou de 1 mm de diamètre au cœur de la cellule de pression. Un échantillon était le matériau étudié URu 2 Si 2 , tandis que le deuxième échantillon était un manomètre."

Finalement, les chercheurs ont soudé quatre minuscules contacts électriques (c'est-à-dire, fils d'un diamètre de 15 micromètres) sur leur URu 2 Si 2 échantillons. Cela leur a finalement permis de mesurer la résistance électrique du matériau. Pour assurer le succès de leur expérience impliquant des champs magnétiques pulsés, les échantillons et les fils qu'ils utilisaient devaient être soigneusement préparés.

"La principale réalisation de notre étude est la détermination du diagramme de phase tridimensionnel de l'URu 2 Si 2 , où les trois dimensions sont le champ magnétique, pression et température, " a déclaré Knafo. " Nous avons obtenu les limites de la phase d'ordre caché, mais aussi celles d'autres phases quantiques de ce système :une onde de densité de spin, antiferromagnétisme, paramagnétisme polarisé, etc."

Les chercheurs ont observé qu'à des pressions élevées, l'onde de densité de spin induite par le champ et les phases d'ordre caché ont disparu de l'URu 2 Si 2 , pourtant il présentait un antiferromagnétisme. De plus, ils ont montré qu'une grande quantité de limites de phase dans le matériau est contrôlée par la dépendance du champ et de la pression d'un paramètre spécifique.

Les découvertes recueillies par Knafo et ses collègues définissent de nouvelles contraintes qui pourraient finalement éclairer les théories existantes ou émergentes sur les corrélations électroniques et les phases ordonnées dans URu. 2 Si 2 . Plus précisement, le diagramme de phase 3-D décrit dans leur article pourrait être un pas en avant important pour essayer de modéliser et de comprendre la phase d'ordre caché insaisissable du matériau, ce qui pourrait à son tour aider à dévoiler une nouvelle physique.

« Nous allons maintenant poursuivre nos recherches sur les matériaux à fermions lourds, " a déclaré Knafo. " Nos travaux actuels se concentrent sur le nouveau matériau UTe 2 , où un phénomène spectaculaire et rare a été observé :la supraconductivité induite par un champ magnétique. Ce nouveau système est l'une des meilleures illustrations de l'interaction entre le magnétisme et la supraconductivité dans les matériaux à fermions lourds."

© 2020 Réseau Science X