Crédito:Knafo et al.
URu 2 Si 2 é um metal que pertence à família dos compostos de férmions pesados em que várias fases quânticas (por exemplo, magnetismo e supercondutividade) podem competir ou coexistir. Esses metais exibem pequenas escalas de energia que são fáceis de ajustar, uma característica que os torna ideais para testar novas idéias e conceitos físicos.
Por exemplo, pesquisadores costumam usar esses compostos para testar teorias relacionadas às transições de fase quântica, criticidade quântica e supercondutividade não convencional. O estudo de metais de férmions pesados poderia, em última análise, revelar novas propriedades físicas de outros materiais de elétrons correlacionados que se mostraram promissores para uma ampla gama de aplicações, como supercondutores de alta temperatura.
Uma equipe de pesquisa do Laboratório Nacional de Altos Campos Magnéticos (LNCMI / CNRS) na França e da Université Grenoble Alpes, em colaboração com pesquisadores da Okayama University e Tohoku University no Japão, recentemente realizou uma investigação sistemática de URu 2 Si 2 sob uma combinação de altas pressões e altos campos magnéticos. Seu papel, publicado em Física da Natureza , mapeia uma fase do material que até agora é mal compreendida, delineando um diagrama de fase tridimensional complexo.
“O caso de URu 2 Si 2 é bastante particular, "William Knafo, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. “Existe uma fase misteriosa neste sistema, mas não foi identificado até agora, apesar de mais de 30 anos de pesquisa e das várias centenas de artigos científicos publicados sobre o assunto. A identificação desta 'ordem oculta' em URu 2 Si 2 continua sendo um dos problemas mais desafiadores da física do estado sólido. "
Em vez de tentar entender a fase misteriosa de 'ordem oculta' no URu 2 Si 2 diretamente, Knafo e seus colegas queriam reunir novos elementos que pudessem ajudar nessa busca no futuro. Mais especificamente, seu objetivo era determinar como a combinação de três parâmetros (ou seja, campo magnético, pressão, temperatura) influencia a fase de ordem oculta e permite a estabilização de outras fases quânticas no material.
Crédito:Knafo et al.
"Nossos experimentos são o estado da arte do que pode ser feito hoje combinando três condições extremas:campos magnéticos elevados, altas pressões, e baixas temperaturas, "Knafo disse." Nós geramos altos campos magnéticos no LNCMI-Toulouse, que é o local de campo pulsado do Laboratório Nacional Francês de Alto Campo Magnético, que por sua vez pertence ao Laboratório de Campo Magnético Europeu. "
Em seus experimentos, Knafo e seus colegas geraram campos magnéticos pulsados de até 60 teslas, que é aproximadamente 1 milhão de vezes maior que o campo magnético da Terra. Esses pulsos tiveram uma duração total de 300 milissegundos.
Os pesquisadores então usaram um gerador feito de bancos de capacitores, que tinha uma energia máxima de 14 megajoules, mas era cobrado a 3 megajoules, para gerar vários milhares de amperes de corrente e enviá-los a um ímã resistivo. Atualmente, apenas algumas instalações no mundo, situado em Los Alamos (EUA), Tóquio, Japão), Dresden (Alemanha), Wuhan (China) e Toulouse, estão equipados com as ferramentas necessárias para conduzir pesquisas envolvendo campos magnéticos dessa intensidade.
“Usamos uma célula de pressão que pode atingir pressões de até 4 gigapascais (40 mil vezes maiores que a pressão atmosférica) dentro de um criostato de hélio padrão com temperaturas de até 1,4 kelvin, isso é, 1,4 graus acima do zero absoluto (-273,15 ° C), "Knafo disse." Realizamos medições de resistência elétrica em duas pequenas amostras encaixadas no orifício de 1 mm de diâmetro no coração da célula de pressão. Uma amostra foi o material investigado URu 2 Si 2 , enquanto a segunda amostra era um medidor de pressão. "
Finalmente, os pesquisadores soldaram quatro minúsculos contatos elétricos (ou seja, fios com um diâmetro de 15 micrômetros) em seu URu 2 Si 2 amostras. Em última análise, isso permitiu que medissem a resistência elétrica do material. Para garantir o sucesso de seu experimento envolvendo campos magnéticos pulsados, as amostras e fios usados tiveram que ser cuidadosamente preparados.
Crédito:Knafo et al.
“A principal conquista do nosso estudo é a determinação do diagrama de fase tridimensional do URu 2 Si 2 , onde as três dimensões são o campo magnético, pressão e temperatura, "Knafo disse." Nós obtivemos os limites da fase de ordem oculta, mas também aquelas de outras fases quânticas neste sistema:uma onda de densidade de spin, antiferromagnetismo, paramagnetismo polarizado etc. "
Os pesquisadores observaram que em altas pressões, a onda de densidade de spin induzida por campo e as fases de ordem oculta desapareceram de URu 2 Si 2 , no entanto, exibiu antiferromagnetismo. Além disso, eles mostraram que uma grande quantidade de limites de fase no material são controlados pelo campo e pela dependência de pressão de um parâmetro específico.
As descobertas coletadas por Knafo e seus colegas definem novas restrições que podem, em última análise, informar as teorias existentes ou emergentes sobre correlações eletrônicas e fases ordenadas em URu 2 Si 2 . Mais especificamente, o diagrama de fases 3-D delineado em seu artigo pode ser um passo importante na tentativa de modelar e compreender a fase de ordem oculta indescritível do material, o que poderia, por sua vez, ajudar a desvendar uma nova física.
"Vamos agora continuar nossa investigação de materiais de férmions pesados, "Knafo disse." Nossos trabalhos atuais se concentram no novo material UTe 2 , onde um fenômeno espetacular e raro foi observado:supercondutividade induzida por um campo magnético. Este novo sistema é uma das melhores ilustrações da interação entre magnetismo e supercondutividade em materiais de férmions pesados. "
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