Em uma transição de fase de segunda ordem clássica, sistemas de matéria condensada adquirem ordem de longo alcance mediante resfriamento abaixo da temperatura de transição, e as propriedades próximas à transição são impulsionadas por flutuações térmicas. Esses comportamentos foram explicados por muito tempo pela teoria de Landau das transições de fase, o que leva à noção de universalidade, em que sistemas com constituintes microscópicos muito diferentes exibem certos comportamentos macroscópicos universais próximos a uma transição de fase.

Alguns sistemas de matéria condensada, Contudo, pode ser ajustado para que a transição de fase seja suprimida para a temperatura zero em um ponto crítico quântico (QCP), onde os comportamentos não são mais impulsionados por flutuações térmicas, mas sim por flutuações quânticas que surgem como consequência do princípio da incerteza de Heisenberg.

Os sistemas de férmions pesados ​​são materiais metálicos que consistem em uma rede de elétrons desemparelhados bem localizados (normalmente 4f ou 5f elétrons), e um mar de elétrons de condução. Estes são ideais para estudar pontos críticos quânticos, uma vez que existe um equilíbrio delicado entre as interações magnéticas, que levam a um padrão ordenado de momentos magnéticos, e emaranhamento entre os spins dos elétrons localizados e de condução, que extingue os momentos magnéticos.

Ao aplicar pressão ou campos magnéticos a sistemas de férmions pesados, os experimentadores podem ajustar o equilíbrio entre essas interações, e, portanto, eles podem suprimir a transição para a fase magneticamente ordenada para temperaturas mais baixas, finalmente alcançando um ponto crítico quântico de temperatura zero.

Os pontos críticos quânticos alcançados ao suprimir uma transição antiferromagnética têm, por muitos anos, tem sido um cenário importante para explorar a nova física. Isso inclui fases incomuns da matéria, como supercondutividade magnética, bem como a quebra do comportamento do líquido Fermi, o que significa que as excitações eletrônicas não correspondem mais às de um fluido de elétrons, mas em vez de um "metal estranho", onde as quantidades físicas, como a resistividade elétrica e a capacidade de calor exibem uma dependência incomum da temperatura. Esse comportamento estranho de metal é encontrado em algumas classes diferentes de materiais quânticos, e acredita-se que esteja intimamente ligado à supercondutividade de alta temperatura dos supercondutores de cuprato.

Por outro lado, pontos críticos quânticos geralmente não são encontrados ao suprimir uma transição ferromagnética, e teoricamente previa-se que não ocorressem em materiais ferromagnéticos limpos e livres de desordem. Em vez de, a tentativa de suprimir a transição ferromagnética leva ao abrupto desaparecimento de primeira ordem da ordem magnética, ou uma mudança de estado de aterramento magnético. Recentemente, Prof. Yuan e sua equipe no Center for Correlated Matter, A Universidade de Zhejiang derrubou esse consenso predominante ao descobrir que a aplicação de pressão pode suprimir suavemente a ordem ferromagnética no sistema de férmions pesados ​​limpos CeRh6Ge4 a temperatura zero, atingindo um ponto crítico quântico ferromagnético.

Eles pressurizaram cristais únicos de CeRh6Ge4 de alta qualidade e mediram a resistividade elétrica e a capacidade de calor em temperaturas muito baixas de até 40mK, a fim de rastrear o destino da transição ferromagnética com pressão. Ao aplicar 0,8 GPa de pressão, verificou-se que a transição ferromagnética é suprimida inteiramente, e em vez disso uma fase de 'metal estranho' é revelada, com uma dependência linear da temperatura da resistividade, e uma divergência logarítmica do coeficiente de calor específico (Fig.1), que são comportamentos notavelmente semelhantes aos encontrados nos supercondutores de cuprato.

Para revelar a origem desse comportamento inesperado, que anteriormente era previsto ser impossível, uma ampla gama de estudos experimentais de acompanhamento foi realizada por pesquisadores do Center for Correlated Matter. De particular importância é caracterizar a estrutura eletrônica do CeRh6Ge4, que poderia abordar questões-chave, como se o ponto crítico quântico ferromagnético em CeRh6Ge4 é um tipo local "não convencional" de ponto crítico quântico acompanhado pela deslocalização dos elétrons Ce-4f; o acoplamento spin-órbita induzido pela quebra da simetria de inversão na rede cristalina ajuda a dar origem aos comportamentos quânticos críticos; e qual é o papel desempenhado pelo arranjo quase unidimensional das cadeias de Ce na estrutura cristalina.

Eles primeiro mediram as oscilações quânticas de cristais únicos de muito alta qualidade de CeRh6Ge4 para diferentes direções do campo magnético aplicado, e comparou os resultados aos esperados de cálculos usando a teoria do funcional da densidade (Fig. 2). Os resultados foram publicados em Boletim de Ciências .

Este estudo revelou duas descobertas importantes. O caminho livre médio dos cristais CeRh6Ge4 é extremamente grande, o que significa que o espalhamento dos elétrons de condução por defeitos ou outras fontes de desordem é mínimo. Isso demonstra que sua observação da supressão do ferromagnetismo por pressão não foi induzida por desordem, mas é uma característica intrínseca do CeRh6Ge4 puro. Em segundo lugar, eles encontraram uma boa concordância entre seus resultados e cálculos da estrutura de banda com elétrons Ce 4f totalmente localizados, e concordância pobre quando os elétrons 4f foram incluídos e considerados itinerantes. Isso mostra que CeRh6Ge4 é diferente de exemplos anteriores de ferromagnetos itinerantes, onde os pontos críticos quânticos estão ausentes, sugerindo que o ferromagnetismo com momentos locais é crucial para a realização de pontos críticos quânticos ferromagnéticos. Além disso, esses resultados estão em linha com as expectativas de criticidade quântica de tipo local, mas a arma fumegante para este cenário seria a observação de uma reconstrução das bandas eletrônicas sob pressão quando CeRh6Ge4 é sintonizado através do ponto crítico quântico.

Ao mesmo tempo, a dependência do momento da estrutura eletrônica de CeRh6Ge4 também foi sondada usando espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES), onde os resultados foram publicados em Cartas de revisão física .

Aqui, eles foram capazes de examinar a dependência do estado eletrônico dos elétrons 4f com a temperatura ao longo de diferentes direções de momento. Eles descobriram que a força da hibridização entre o 4f e os elétrons de condução é altamente anisotrópica, e é muito mais forte paralelamente às cadeias de Ce do que ao longo das direções perpendiculares. Essa evidência direta de acoplamento anisotrópico é altamente incomum em sistemas de férmions pesados, e indica que o arranjo unidimensional de momentos magnéticos também pode ser um ingrediente chave para a criticidade quântica ferromagnética.