URu2Si2是一种金属，属于重费米子化合物家族，其中几个量子相（如磁性和超导电性）可以竞争或共存。这些金属表现出很小的能量尺度，很容易调节，这一特点使它们成为测试新物理思想和概念的理想选择。例如，科学家经常使用这些化合物来测试与量子相变、量子临界性和非传统超导相关的理论。研究重费米子金属可能最终揭示其他相关电子材料的新物理性质。

这些材料已显示出广泛的应用前景，如高温超导体。法国国家强磁场实验室(LNCMI/CNRS)和格勒诺布尔阿尔卑斯大学的一个研究小组，现在与日本冈山大学和东北大学科学家合作，在高压和强磁场的组合下对URu2Si2进行了系统研究。其研究成果发表在《自然物理》期刊上，绘制了迄今为止知之甚少材料中的一个相图，这是一个复杂的三维相图。

开展这项研究的研究人员之一William Knafo说：URu2Si2的情况相当特殊。这个系统中存在着一个神秘的相，尽管经过30多年的研究，发表了数百篇关于这个主题的科学论文，但到目前为止，它还没有被识别出来。URu2Si2中这个‘隐藏有序’的识别，仍然是固体物理学中最具挑战性的问题之一。研究并不是试图直接理解URu2Si2中神秘的“隐藏秩序”阶段。

隐藏的有序相

而是想要收集新的元素，这些元素最终可以在未来帮助这一探索。更具体地说，目标是确定三个参数（即磁场、压力、温度）的组合如何影响隐藏有序相，并使材料中的其他量子相稳定。研究实验是当今最先进的实验，它结合了三种极端条件：强磁场、高压和低温。并在LNCMI-图卢兹产生了强磁场，这是法国国家高磁场实验室的脉冲场地点，而法国国家高磁场实验室又属于欧洲磁场实验室。

在实验中产生了高达60特斯拉的脉冲磁场，大约是地球磁场的100万倍，这些脉冲的总持续时间为300毫秒。然后，研究人员使用由电容器组制成的发电机，最大能量为14兆焦耳，但充电功率为3兆焦耳，产生数千安培的电流，并将其发送到电阻磁铁。目前，世界上只有几个位于美国洛斯阿拉莫斯、日本东京、德国德累斯顿、中国武汉和图卢兹的设施支持这种强磁场研究。

研究使用了一个压力室，它可以在温度降至1.4Kelvin，也就是绝对零度（-273.15摄氏度）以上1.4度的标准氦低温恒温器内获得高达4千兆帕斯卡（比大气压高出4万倍）。研究对安装在压力室中心1毫米直径孔内的两个小样本进行了电阻测量，一个样本是所研究的材料URu2Si2，第二个样本是压力计。然后将四个微小电触点焊接到URu2Si2上，最终能够测量材料的电阻。

主要成果

为了确保脉冲磁场实验的成功，所使用的样品和导线必须仔细准备。研究主要成果是确定了URu2Si2的三维相图，其中的三个维度是磁场、压力和温度。得到了隐藏有序相的边界，也得到了这个系统中其他量子相的边界：自旋密度波、反铁磁性、偏振顺磁等。在高压下，场诱导的自旋密度波和隐藏有序相从URu2Si2中消失，但它表现出反铁磁性。此外还表明，材料中的大量相界是由特定参数的场和压力依赖性控制。

研究发现设置了新的限制条件，最终可能会为现有或新兴关于URu2Si2中的电子关联和有序相的理论提供信息。更具体地说，三维相图可能是试图对材料难以捉摸的隐藏有序相进行建模和理解的重要一步，这反过来可能有助于揭示新的物理。未来将继续对重费米子材料的研究，目前研究集中在新材料UTe2上，在那里观察到了一个壮观而罕见的现象：磁场诱导的超导。这个新系统是重费米子材料中磁性和超导相互作用的最好例证之一。

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

参考期刊《自然物理》

DOI: 10.1038/s41567-020-0927-4

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