Dans une transition de phase classique du second ordre, les systèmes de matière condensée acquièrent un ordre à longue distance lors du refroidissement en dessous de la température de transition, et les propriétés proches de la transition sont déterminées par les fluctuations thermiques. Ces comportements ont été longtemps expliqués par la théorie de Landau des transitions de phase, ce qui conduit à la notion d'universalité, où les systèmes avec des constituants microscopiques très différents présentent certains comportements macroscopiques universels proches d'une transition de phase.

Certains systèmes de matière condensée, cependant, peut être réglé de sorte que la transition de phase soit supprimée à une température nulle à un point critique quantique (QCP), où les comportements ne sont plus dictés par les fluctuations thermiques, mais plutôt par des fluctuations quantiques résultant du principe d'incertitude de Heisenberg.

Les systèmes de fermions lourds sont des matériaux métalliques constitués à la fois d'un réseau d'électrons non appariés bien localisés (généralement des électrons 4f ou 5f), et une mer d'électrons de conduction. Ceux-ci sont idéaux pour étudier les points critiques quantiques, puisqu'il existe un équilibre délicat entre les interactions magnétiques, qui conduisent à un modèle ordonné de moments magnétiques, et l'intrication entre les spins des électrons localisés et de conduction, qui éteint les moments magnétiques.

En appliquant des champs de pression ou magnétiques aux systèmes de fermions lourds, les expérimentateurs peuvent ajuster l'équilibre entre ces interactions, et par conséquent, ils peuvent supprimer la transition vers la phase magnétiquement ordonnée à des températures plus basses, atteignant finalement un point critique quantique à température nulle.

Les points critiques quantiques atteints lors de la suppression d'une transition antiferromagnétique ont, pendant de nombreuses années, été un cadre important pour l'exploration de la nouvelle physique. Cela inclut des phases inhabituelles de la matière telles que la supraconductivité magnétique, ainsi que la dégradation du comportement du liquide de Fermi, c'est-à-dire que les excitations électroniques ne correspondent plus à celles d'un fluide d'électrons, mais au lieu de ceux d'un "métal étrange", où les grandeurs physiques telles que la résistivité électrique et la capacité thermique présentent une dépendance inhabituelle à la température. Un tel comportement étrange du métal se trouve dans quelques classes différentes de matériaux quantiques, et on pense qu'il est intimement lié à la supraconductivité à haute température des supraconducteurs cuprate.

D'autre part, les points critiques quantiques ne sont généralement pas trouvés lors de la suppression d'une transition ferromagnétique, et il était théoriquement prédit qu'ils ne se produiraient pas dans des matériaux ferromagnétiques propres et sans désordre. Au lieu, tenter de supprimer la transition ferromagnétique conduit soit à la disparition brutale du premier ordre de l'ordre magnétique, ou un changement de l'état du sol magnétique. Récemment, Le professeur Yuan et son équipe au Center for Correlated Matter, L'Université du Zhejiang a renversé ce consensus dominant en découvrant que l'application d'une pression peut supprimer en douceur l'ordre ferromagnétique dans le système de fermions lourds propres CeRh6Ge4 à une température nulle, atteindre un point critique quantique ferromagnétique.

Ils ont pressurisé des monocristaux de CeRh6Ge4 de haute qualité et mesuré la résistivité électrique et la capacité thermique à très basse température jusqu'à 40 mK, afin de suivre le devenir de la transition ferromagnétique avec la pression. En appliquant une pression de 0,8 GPa, il a été constaté que la transition ferromagnétique est entièrement supprimée, et à la place, une phase de « métal étrange » est révélée, avec une dépendance linéaire en température de la résistivité, et une divergence logarithmique du coefficient de chaleur spécifique (Fig.1), qui sont des comportements remarquablement similaires à ceux trouvés dans les supraconducteurs cuprate.

Afin de révéler l'origine de ce comportement inattendu, ce qui était auparavant prédit impossible, un large éventail d'études expérimentales de suivi ont été réalisées par des chercheurs du Center for Correlated Matter. Il est particulièrement important de caractériser la structure électronique de CeRh6Ge4, qui pourrait répondre à des questions clés telles que si le point critique quantique ferromagnétique dans CeRh6Ge4 est un type local «non conventionnel» de point critique quantique accompagné de la délocalisation des électrons Ce-4f ; le couplage spin-orbite induit par la rupture de la symétrie d'inversion dans le réseau cristallin contribue-t-il à donner naissance aux comportements critiques quantiques ? et quel est le rôle joué par l'arrangement quasi-unidimensionnel des chaînes Ce dans la structure cristalline.

Ils ont d'abord mesuré les oscillations quantiques de monocristaux de très haute qualité de CeRh6Ge4 pour différentes directions du champ magnétique appliqué, et comparé les résultats à ceux attendus des calculs utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (Fig. 2). Les résultats ont été publiés dans Bulletin scientifique .

Cette étude a révélé deux résultats importants. Le chemin sans moyenne des cristaux CeRh6Ge4 est extrêmement grand, ce qui signifie que la diffusion des électrons de conduction par des défauts ou d'autres sources de désordre est minimale. Cela démontre que leur observation de la suppression du ferromagnétisme par la pression n'a pas été induite par le désordre, mais c'est une caractéristique intrinsèque du CeRh6Ge4 pur. Deuxièmement, ils ont trouvé un bon accord entre leurs résultats et les calculs de la structure de bande avec des électrons Ce 4f entièrement localisés, et une concordance médiocre lorsque les électrons 4f étaient inclus et supposés itinérants. Cela montre que CeRh6Ge4 est distinct des exemples précédents de ferroaimants itinérants où les points critiques quantiques sont absents, suggérant que le ferromagnétisme avec des moments locaux est crucial pour réaliser les points critiques quantiques ferromagnétiques. Par ailleurs, ces résultats sont en ligne avec les attentes de criticité quantique de type local, mais le pistolet fumant pour ce scénario serait l'observation d'une reconstruction des bandes électroniques sous pression lorsque CeRh6Ge4 est réglé à travers le point critique quantique.

À la fois, la dépendance en quantité de mouvement de la structure électronique de CeRh6Ge4 a également été sondée à l'aide de la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES), où les résultats ont été publiés dans Lettres d'examen physique .

Ici, ils ont pu examiner la dépendance à la température de l'état électronique des électrons 4f le long de différentes directions d'impulsion. Ils ont constaté que la force de l'hybridation entre les électrons 4f et de conduction est hautement anisotrope, et est beaucoup plus fort parallèlement aux chaînes Ce qu'il ne l'est le long des directions perpendiculaires. Une telle preuve directe du couplage anisotrope est très inhabituelle dans les systèmes à fermions lourds, et indique que l'agencement unidimensionnel des moments magnétiques pourrait également être un ingrédient clé pour la criticité quantique ferromagnétique.