Тепло вызывает классические фазовые переходы - подумайте о твердом, жидком и газообразном - но гораздо более странные вещи могут происходить, когда температура падает. Если фазовые переходы происходят при самых низких температурах, которые только можно вообразить, где правит квантовая механика, тонкие флуктуации могут кардинально преобразовать материал.
Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Университета Стоуни-Брук исследовали этот холодный ландшафт абсолютного нуля, чтобы изолировать и исследовать эти квантовые фазовые переходы с беспрецедентной точностью.
«В этих холодных условиях электронные, магнитные и термодинамические характеристики металлических материалов определяются этими неуловимыми квантовыми флуктуациями», - сказал соавтор исследования Мейган Аронсон, физик из Брукхейвенской лаборатории и профессор Стоуни-Брук. «Впервые у нас есть картина одного из самых фундаментальных состояний электрона, при этом тепло окружающей среды не затеняет и не усложняет эти свойства».
Ученые исследовали возникновение ферромагнетизма - той же самой магнитной поляризации, которая используется в передовых электронных устройствах, электродвигателях и даже магнитах для холодильников - в специально синтезированном соединении железа, приближающемся к абсолютному нулю.
Исследование предоставляет новые методы для выявления и понимания новых материалов с мощными и неожиданными свойствами, включая сверхпроводимость - способность проводить электричество с идеальной эффективностью. Исследование будет опубликовано онлайн 15 сентября 2014 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Выявление этого квантового фазового перехода позволяет нам прогнозировать и потенциально повышать характеристики новых материалов практическими способами, которые ранее были только теоретическими», - сказал соавтор исследования и физик Брукхейвенской лаборатории Алексей Цвелик.
Карта квантовых ландшафтов
Присутствие тепла усложняет или подавляет так называемые квантовые критические флуктуации, поэтому ученые проводили эксперименты при максимально низких температурах.
«Законы термодинамики делают абсолютный нуль недостижимым, но квантовые фазовые переходы действительно можно наблюдать при ненулевых температурах», - сказал Аронсон. «Тем не менее, чтобы вывести полную квантовомеханическую природу, нам нужно было достичь температуры всего 0,06 Кельвина - намного, намного холоднее, чем жидкий гелий или даже межзвездное пространство».
Исследователи использовали новое соединение иттрия, железа и алюминия (YFe2Al10), которое они обнаружили при поиске новых сверхпроводников. Этот слоистый металлический материал балансирует на пороге ферромагнитного порядка, ключевого и очень редкого свойства.
«Наши термодинамические и магнитные измерения доказали, что YFe2Al10 становится ферромагнитным точно при абсолютном нуле - резкое отличие от железа, которое становится ферромагнитным при температурах значительно выше комнатной», - сказал Аронсон. «Кроме того, мы использовали магнитные поля, чтобы изменить этот ферромагнитный порядок, доказав, что виноваты квантовые флуктуации».
Сотрудничество произвело почти идеальные образцы, чтобы доказать, что дефекты материала не могут повлиять на результаты. Они также были первой группой, приготовившей YFe2Al10 в форме монокристалла, что позволило им показать, что возникающий магнетизм находится внутри двумерных слоев.
«Поскольку ферромагнетизм распадался под действием тепла или приложенных магнитных полей, мы использовали теорию для определения пространственных и временных флуктуаций, вызвавших переход», - сказал Цвелик. «Эта фундаментальная информация дает представление о бесчисленном количестве других материалов».
Квантовые ключи к новым материалам
Учёные планируют модифицировать состав YFe2Al10, чтобы он становился ферромагнитным при ненулевых температурах, открывая ещё одно окно во взаимосвязи между температурой, квантовыми переходами и характеристиками материала.
«Надежное магнитное упорядочение обычно блокирует сверхпроводимость, но подавление этого состояния может обеспечить точный баланс квантовых флуктуаций, необходимый для реализации нетрадиционной сверхпроводимости», - сказал Цвелик. «Выделение этих конкурирующих квантовых взаимодействий, которые благоприятствуют магнетизму в одном случае и сверхпроводимости в другом, представляет большой экспериментальный и теоретический интерес».
Добавил Аронсон: «Наличие большего количества примеров, демонстрирующих это взаимодействие сверхпроводимости и магнетизма при нулевой температуре, имеет решающее значение, поскольку мы развиваем целостное понимание того, как эти явления связаны и как мы можем в конечном итоге контролировать эти свойства в новых поколениях материалов."
Другими авторами этого исследования являются Liusuo Wu, Moosung Kim и Keeseong Park, все из факультета физики и астрономии Университета Stony Brook.
Исследование проводилось в Отделе физики конденсированных сред и материаловедения Brookhaven Lab при поддержке Управления науки Министерства энергетики США (BES).