高溫超導(dǎo)體或?qū)⒁虼藢?shí)現(xiàn)！終于繪制出：重費(fèi)米子化合物三維相圖！

URu2Si2是一種金屬，屬于重費(fèi)米子化合物家族，其中幾個(gè)量子相（如磁性和超導(dǎo)電性）可以競(jìng)爭(zhēng)或共存。這些金屬表現(xiàn)出很小的能量尺度，很容易調(diào)節(jié)，這一特點(diǎn)使它們成為測(cè)試新物理思想和概念的理想選擇。例如，科學(xué)家經(jīng)常使用這些化合物來(lái)測(cè)試與量子相變、量子臨界性和非傳統(tǒng)超導(dǎo)相關(guān)的理論。研究重費(fèi)米子金屬可能最終揭示其他相關(guān)電子材料的新物理性質(zhì)。

這些材料已顯示出廣泛的應(yīng)用前景，如高溫超導(dǎo)體。法國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室(LNCMI/CNRS)和格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)的一個(gè)研究小組，現(xiàn)在與日本岡山大學(xué)和東北大學(xué)科學(xué)家合作，在高壓和強(qiáng)磁場(chǎng)的組合下對(duì)URu2Si2進(jìn)行了系統(tǒng)研究。其研究成果發(fā)表在《自然物理》期刊上，繪制了迄今為止知之甚少材料中的一個(gè)相圖，這是一個(gè)復(fù)雜的三維相圖。

開(kāi)展這項(xiàng)研究的研究人員之一William Knafo說(shuō)：URu2Si2的情況相當(dāng)特殊。這個(gè)系統(tǒng)中存在著一個(gè)神秘的相，盡管經(jīng)過(guò)30多年的研究，發(fā)表了數(shù)百篇關(guān)于這個(gè)主題的科學(xué)論文，但到目前為止，它還沒(méi)有被識(shí)別出來(lái)。URu2Si2中這個(gè)‘隱藏有序’的識(shí)別，仍然是固體物理學(xué)中最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一。研究并不是試圖直接理解URu2Si2中神秘的“隱藏秩序”階段。

隱藏的有序相

而是想要收集新的元素，這些元素最終可以在未來(lái)幫助這一探索。更具體地說(shuō)，目標(biāo)是確定三個(gè)參數(shù)（即磁場(chǎng)、壓力、溫度）的組合如何影響隱藏有序相，并使材料中的其他量子相穩(wěn)定。研究實(shí)驗(yàn)是當(dāng)今最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，它結(jié)合了三種極端條件：強(qiáng)磁場(chǎng)、高壓和低溫。并在LNCMI-圖盧茲產(chǎn)生了強(qiáng)磁場(chǎng)，這是法國(guó)國(guó)家高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的脈沖場(chǎng)地點(diǎn)，而法國(guó)國(guó)家高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室又屬于歐洲磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室。

在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了高達(dá)60特斯拉的脈沖磁場(chǎng)，大約是地球磁場(chǎng)的100萬(wàn)倍，這些脈沖的總持續(xù)時(shí)間為300毫秒。然后，研究人員使用由電容器組制成的發(fā)電機(jī)，最大能量為14兆焦耳，但充電功率為3兆焦耳，產(chǎn)生數(shù)千安培的電流，并將其發(fā)送到電阻磁鐵。目前，世界上只有幾個(gè)位于美國(guó)洛斯阿拉莫斯、日本東京、德國(guó)德累斯頓、中國(guó)武漢和圖盧茲的設(shè)施支持這種強(qiáng)磁場(chǎng)研究。

研究使用了一個(gè)壓力室，它可以在溫度降至1.4Kelvin，也就是絕對(duì)零度（-273.15攝氏度）以上1.4度的標(biāo)準(zhǔn)氦低溫恒溫器內(nèi)獲得高達(dá)4千兆帕斯卡（比大氣壓高出4萬(wàn)倍）。研究對(duì)安裝在壓力室中心1毫米直徑孔內(nèi)的兩個(gè)小樣本進(jìn)行了電阻測(cè)量，一個(gè)樣本是所研究的材料URu2Si2，第二個(gè)樣本是壓力計(jì)。然后將四個(gè)微小電觸點(diǎn)焊接到URu2Si2上，最終能夠測(cè)量材料的電阻。

主要成果

為了確保脈沖磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的成功，所使用的樣品和導(dǎo)線必須仔細(xì)準(zhǔn)備。研究主要成果是確定了URu2Si2的三維相圖，其中的三個(gè)維度是磁場(chǎng)、壓力和溫度。得到了隱藏有序相的邊界，也得到了這個(gè)系統(tǒng)中其他量子相的邊界：自旋密度波、反鐵磁性、偏振順磁等。在高壓下，場(chǎng)誘導(dǎo)的自旋密度波和隱藏有序相從URu2Si2中消失，但它表現(xiàn)出反鐵磁性。此外還表明，材料中的大量相界是由特定參數(shù)的場(chǎng)和壓力依賴性控制。

研究發(fā)現(xiàn)設(shè)置了新的限制條件，最終可能會(huì)為現(xiàn)有或新興關(guān)于URu2Si2中的電子關(guān)聯(lián)和有序相的理論提供信息。更具體地說(shuō)，三維相圖可能是試圖對(duì)材料難以捉摸的隱藏有序相進(jìn)行建模和理解的重要一步，這反過(guò)來(lái)可能有助于揭示新的物理。未來(lái)將繼續(xù)對(duì)重費(fèi)米子材料的研究，目前研究集中在新材料UTe2上，在那里觀察到了一個(gè)壯觀而罕見(jiàn)的現(xiàn)象：磁場(chǎng)誘導(dǎo)的超導(dǎo)。這個(gè)新系統(tǒng)是重費(fèi)米子材料中磁性和超導(dǎo)相互作用的最好例證之一。

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參考期刊《自然物理》

DOI: 10.1038/s41567-020-0927-4

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