Nytt kvanttillstånd upptäckt i gömda ordningen

Stark växelverkan mellan elektroner leder till många ovanliga fenomen så som okonventionell supraledning och ovanliga faser. Uranruteniumsilikat, URu₂Si₂, som först syntetiserades 1985, är ett material som uppvisar alla dessa fenomenen.

Växelverkan mellan urans elektroner innebär att materialet är en så kallad tung elektronmetall och vid låga temperaturer under 1.5 Kelvin uppstår okonventionell supraledning. Det mest förbluffande är dock övergången till en okänd fas under 17 Kelvin. Elektronerna bildar en spontan och kollektiv mystisk ny ordning i materialet. Men vad den gömda ordningen består av vet man ännu inte helt, trots mer än 35 års intensiv forskning inom fältet. Den betraktas som en av de största gåtorna inom den kondenserade materiens fysik. [1].  

Jan Rusz och Peter Oppeneer vid institutionen för fysik och astronomi har nu tillsammans med forskare i ett internationellt samarbete upptäckt att ett nytt kvanttillstånd uppstår på ytan av URu₂Si₂ vid temperaturer nära absoluta nollpunkten, vid temperaturer av bara några milliKelvin.

På ytan av URu₂Si₂-kristallen finns små kristallina terrasser som är atomlager tjocka och ungefär 10-20 nanometer breda. På grund av deras starka växelverkan bildar elektronerna på den tvådimensionella ytan ett extremt smalt, och därmed tungt, elektronband, som kunde bevisas genom detaljerade kvantstrukturberäkningar av de båda Uppsalaforskarna.

Med hjälp av tunnelmikroskopiskanning upptäckte forskarna Edwin Herrera och Hermann Suderow från Bogota och Madrid att det tunga tvådimensionella elektrontillståndet genomgår en oväntad övergång till ytterligare ett kvantiserat tillstånd nära absoluta nollpunkten, på millikelvin-nivå.

Det nya kvanttillstånd som uppstår kan jämföras med en kvantpartikel i en låda, där rumsbegränsningar leder till kvantiserade vågor. Terrasserna på ytan ger en naturlig rumsbegränsning i två dimensioner, men att ett kvanttillstånd för sådana tunga elektroner kunde kvantiseras ytterligare är en förbluffande upptäckt.

— Det intressanta är att det nya kvanttillståndet framträder inom den gömda ordningen och därmed kan bidra med tidigare okänd information om vad som händer med elektronerna inom den gömda ordningen, säger Peter Oppeneer, professor vid institutionen för fysik och astronomi. 

Scanning med tunnelmikroskopimätningar avslöjar att den laterala symmetrin spontan bryts på ytan vid supraledning inom den gömda ordningen. En fyrkantig terrass uppvisar inte en fyrfaldig, utan istället en tvåfaldig symmetri som blir synlig i scanning i olika kvanttillstånd. Forskningen sprider nytt ljus över den gömda ordningen och banar väg för att generera tidigare okända kvantfaser i starkt korrelerade och supraledande material. 

Forskningen har genomförts i ett internationellt samarbete mellan forskare från Bogota (Colombia), Madrid (Spanien), Uppsala, Grenoble (Frankrike), och Oarai (Japan).

[1] J.A. Mydosh and P.M. Oppeneer, Colloquium: Hidden order, superconductivity, and magnetism: The unsolved case of URu₂Si₂.  Reviews of Modern Physics 83, 1301 (2011).

Artikelreferens

Quantum-well states at the surface of a heavy-fermion superconductor. Edwin Herrera, Isabel Guillamón, Víctor Barrena, William Herrera, Jose Augusto Galvis, Alfredo Levy Yeyati, Jan Rusz, Peter M. Oppeneer, Georg Knebel, Jean Pascal Brison, Jacques Flouquet, Dai Aoki and Hermann Suderow, Nature (2023). Publikationsdatum: 22 mars, 2023.

DOI:10.1038/s41586-023-05830-1

Kontakt

Jan Rusz, universitetslektor vid institutionen för fysik och astronomi, jan.rusz@physics.uu.se

Peter Oppeneer, professor vid institutionen för fysik och astronomi, peter.oppeneer@physics.uu.se

Camilla Thulin