高溫超導體或將因此實現！終於繪製出：重費米子化合物三維相圖

2020-07-05 博科園

URu2Si2是一種金屬，屬於重費米子化合物家族，其中幾個量子相（如磁性和超導電性）可以競爭或共存。這些金屬表現出很小的能量尺度，很容易調節，這一特點使它們成為測試新物理思想和概念的理想選擇。例如，科學家經常使用這些化合物來測試與量子相變、量子臨界性和非傳統超導相關的理論。研究重費米子金屬可能最終揭示其他相關電子材料的新物理性質。

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這些材料已顯示出廣泛的應用前景，如高溫超導體。法國國家強磁場實驗室(LNCMI/CNRS)和格勒諾布爾阿爾卑斯大學的一個研究小組，現在與日本岡山大學和東北大學科學家合作，在高壓和強磁場的組合下對URu2Si2進行了系統研究。其研究成果發表在《自然物理》期刊上，繪製了迄今為止知之甚少材料中的一個相圖，這是一個複雜的三維相圖。

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開展這項研究的研究人員之一William Knafo說：URu2Si2的情況相當特殊。這個系統中存在著一個神秘的相，儘管經過30多年的研究，發表了數百篇關於這個主題的科學論文，但到目前為止，它還沒有被識別出來。URu2Si2中這個『隱藏有序』的識別，仍然是固體物理學中最具挑戰性的問題之一。研究並不是試圖直接理解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幫助這一探索。更具體地說，目標是確定三個參數（即磁場、壓力、溫度）的組合如何影響隱藏有序相，並使材料中的其他量子相穩定。研究實驗是當今最先進的實驗，它結合了三種極端條件：強磁場、高壓和低溫。並在LNCMI-土魯斯產生了強磁場，這是法國國家高磁場實驗室的脈衝場地點，而法國國家高磁場實驗室又屬於歐洲磁場實驗室。

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在實驗中產生了高達60特斯拉的脈衝磁場，大約是地球磁場的100萬倍，這些脈衝的總持續時間為300毫秒。然後，研究人員使用由電容器組製成的發電機，最大能量為14兆焦耳，但充電功率為3兆焦耳，產生數千安培的電流，並將其發送到電阻磁鐵。目前，世界上只有幾個位於美國洛斯阿拉莫斯、日本東京、德國德勒斯登、中國武漢和土魯斯的設施支持這種強磁場研究。

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研究使用了一個壓力室，它可以在溫度降至1.4Kelvin，也就是絕對零度（-273.15攝氏度）以上1.4度的標準氦低溫恆溫器內獲得高達4千兆帕斯卡（比大氣壓高出4萬倍）。研究對安裝在壓力室中心1毫米直徑孔內的兩個小樣本進行了電阻測量，一個樣本是所研究的材料URu2Si2，第二個樣本是壓力計。然後將四個微小電觸點焊接到URu2Si2上，最終能夠測量材料的電阻。

主要成果

為了確保脈衝磁場實驗的成功，所使用的樣品和導線必須仔細準備。研究主要成果是確定了URu2Si2的三維相圖，其中的三個維度是磁場、壓力和溫度。得到了隱藏有序相的邊界，也得到了這個系統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，場誘導的自旋密度波和隱藏有序相從URu2Si2中消失，但它表現出反鐵磁性。此外還表明，材料中的大量相界是由特定參數的場和壓力依賴性控制。

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研究發現設置了新的限制條件，最終可能會為現有或新興關於URu2Si2中的電子關聯和有序相的理論提供信息。更具體地說，三維相圖可能是試圖對材料難以捉摸的隱藏有序相進行建模和理解的重要一步，這反過來可能有助於揭示新的物理。未來將繼續對重費米子材料的研究，目前研究集中在新材料UTe2上，在那裡觀察到了一個壯觀而罕見的現象：磁場誘導的超導。這個新系統是重費米子材料中磁性和超導相互作用的最好例證之一。

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博科園｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli/Phys

參考期刊《自然物理》

DOI: 10.1038/s41567-020-0927-4

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