Konkurujące oddziaływania i reentrantowe nadprzewodnictwo w CeRh₂As₂ i pokrewnych związkach: magnetycznie przełączalne stany w wybranych układach ciężkofermionowych
Typ projektu: NCN SONATA 21
Kierownik projektu: dr inż. Grzegorz Chajewski
Numer projektu: 2025/59/D/ST3/03519
Wartość projektu: 1 999 580 PLN
Opis projektu:
Nadprzewodniki to materiały, które mogą przewodzić prąd elektryczny bez jakichkolwiek strat energii – właściwość ta otwiera drogę do przełomowych technologii, od niezwykle wydajnego przesyłu energii po zaawansowane urządzenia kwantowe. Większość znanych nadprzewodników działa jednak wyłącznie w bardzo niskich temperaturach i w ściśle kontrolowanych warunkach. Zrozumienie, dlaczego nadprzewodnictwo się pojawia oraz w jaki sposób można je kontrolować, pozostaje jednym z kluczowych wyzwań współczesnej fizyki.
Projekt ten koncentruje się na szczególnie intrygującym materiale: CeRh₂As₂, należącym do klasy tzw. nadprzewodników ciężkofermionowych. W tego typu materiałach elektrony zachowują się tak, jakby były setki razy cięższe niż zwykle, co wynika z bardzo silnych oddziaływań między nimi. Oddziaływania te prowadzą do powstawania egzotycznych stanów kwantowych, w których nadprzewodnictwo, magnetyzm oraz inne formy uporządkowania elektronowego konkurują ze sobą – lub, co bardziej zaskakujące, współdziałają.
Wyjątkowość CeRh₂As₂ polega na tym, że nie posiada on jednego, lecz dwa stany nadprzewodzące. Eksperymenty wykazały istnienie dwóch faz nadprzewodnictwa, pomiędzy którymi można przełączać się za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego. Co jeszcze bardziej zagadkowe, w pewnym zakresie temperatur nadprzewodnictwo może zanikać, a następnie ponownie się pojawiać wraz ze wzrostem pola magnetycznego. To rzadkie zjawisko znane jest jako nadprzewodnictwo typu reentrant i podważa tradycyjny pogląd, według którego magnetyzm i nadprzewodnictwo zawsze są zjawiskami anagonistycznymi.
Dodatkową zagadką jest tajemnicza faza niskotemperaturowa, znana także jako faza T₀, która pojawia się tuż powyżej przejścia do stanu nadprzewodzącego. Początkowo interpretowano ją jako subtelną, niemagnetyczną formę uporządkowania elektronowego. Coraz więcej danych eksperymentalnych wskazuje jednak, że faza ta ma charakter magnetyczny i może współistnieć z nadprzewodnictwem. Jeśli tak jest w rzeczywistości, oznaczałoby to konieczność rewizji długo utrzymywanych założeń oraz wskazywałoby na nowy mechanizm, w którym magnetyzm aktywnie kształtuje nadprzewodnictwo, zamiast je niszczyć.
Głównym celem projektu jest odkrycie mikroskopowego pochodzenia fazy T₀ oraz zrozumienie, w jaki sposób wpływa ona (lub być może nawet kontroluje) przełączanie pomiędzy różnymi stanami nadprzewodzącymi. W tym celu zostanie zastosowane połączenie kilku podejść badawczych. Po pierwsze, badane będą ultraczyste monokryształy CeRh₂As₂ w warunkach ekstremalnych: bardzo niskich temperatur i bardzo silnych pól magnetycznych, z wykorzystaniem zaawansowanych technik eksperymentalnych zdolnych do wykrywania nawet minimalnych sygnałów magnetycznych. Po drugie, CeRh₂As₂ zostanie porównany z blisko spokrewnionymi materiałami, co pozwoli określić, które cechy wśród nich są uniwersalne, a które unikatowe. Po trzecie, materiał będzie celowo modyfikowany poprzez podstawianie wybranych atomów, co ma umożliwić precyzyjne „strojenie” magnetyzmu i nadprzewodnictwa.
Poza rozwiązaniem konkretnej zagadki naukowej, badania te mają na celu weryfikację nowej hipotezy nadprzewodnictwa kontrolowanego przez magnetyzm. Tego rodzaju wiedza może w przyszłości umożliwić projektowanie materiałów, w których właściwości nadprzewodzące da się przełączać na żądanie – co jest długofalowym marzeniem technologii kwantowych i nowoczesnej energetyki. Jednocześnie projekt przyczyni się do rozwoju nowoczesnych technik wzrostu kryształów.
Ukazując, w jaki sposób złożone stany kwantowe wyłaniają się z silnie oddziałujących elektronów, projekt ten dotyka jednego z najbardziej fascynujących pytań współczesnej fizyki: jak powstają nowe formy materii, gdy reguły świata kwantowego są doprowadzane do granic możliwości.
