Forskargrupp Karaktärisering av kvantmaterial

Forskargruppen för karakterisering av kvantmaterial (QMC) vid Stockholms universitet undersöker supraledning, magnetism och kvantfasövergångar med termodynamiska mätningar, transportmätningar och strukturundersökningar. Vi kombinerar experimentella studier av kvantmaterial med utveckling av känsliga instrument för små prover vid låga temperaturer och i starka magnetfält.

Nanokalorimetri

Vår centrala experimentella plattform är en miniatyriserad, membranbaserad kalorimeter utvecklad för högupplösta värmekapacitetsmätningar på små kristaller och tunna filmer. Kombinationen av hög upplösning, mycket låg magnetoresistans hos termometern och ett temperaturområde från 50 mK till 300 K gör den särskilt väl lämpad för studier av kvantmaterial under vitt skilda experimentella förhållanden. En viktig fördel jämfört med konventionella kalorimetrar är den mycket höga upplösningen, som gör det möjligt att urskilja små elektroniska bidrag till värmekapaciteten och svaga signaturer av fasövergångar.

Integrerade tunnfilmsvärmare och termometrar mäter små termiska signaler samtidigt som plattformens värmekapacitet hålls låg. Noggrann kontroll av den termiska kopplingen och mätfrekvensen förenar hög känslighet med tillförlitliga absoluta mätningar. Termometrarnas låga magnetoresistans är särskilt värdefull när vi följer små förändringar i värmekapaciteten med magnetfältets styrka och riktning.

Plattformen ger tillgång till fasövergångar, elektroniska excitationer och entropiförändringar i prover som är svåra att studera med konventionell kalorimetri. Den möjliggör också lokal temperaturreglering samt samtidig kalorimetri och röntgendiffraktion med synkrotronstrålning, så att termodynamiska och strukturella förändringar kan kopplas samman i samma prov.

Differentiell nanokalorimeter (vänster) och en förstorad vy av membranets skiktstruktur (höger), med integrerade värmare, termometri och en termaliseringsyta.

Figur 1. Differentiell nanokalorimeter (vänster) och en förstorad vy av membranets skiktstruktur (höger), med integrerade värmare, termometri och en termaliseringsyta. Illustrationen följer tillverkningsmaskerna; skikttjocklekar och avstånd är överdrivna för tydlighetens skull. Illustration: QMC-gruppen.

Membranbaserad nanokalorimetri

Mätnoggrannhet

Termometri med låg magnetoresistans

Kalorimetri med röntgendiffraktion

Forskning

Supraledning och magnetism

Vi undersöker hur supraledande och magnetiska tillstånd uppstår, samexisterar och konkurrerar i kvantmaterial. Högupplösta värmekapacitetsmätningar visar fasövergångar, entropiförändringar och lågenergiexcitationer, inklusive små elektroniska bidrag som kan vara svåra att urskilja med konventionell kalorimetri. Vi kombinerar dessa mätningar med elektriska transportmätningar, magnetiska mätningar och strukturkarakterisering för att koppla termodynamiska signaturer till materialens underliggande egenskaper.

I okonventionella supraledare studerar vi det supraledande energigapets struktur och hur den förändras med sammansättning och magnetfält. Särskilda intressen är supraledning med flera komponenter i järnbaserade material, bruten tidsomkastningssymmetri och föreslagna tillstånd med elektronkvartetter. I magnetiska material undersöker vi ordning, anisotropi och fluktuationer, bland annat i system där magnetisk ordning samexisterar med supraledning. Mätningar med olika fältriktningar hjälper oss att kartlägga fasdiagram och skilja mellan konkurrerande tillstånd.

Nyckelord: Okonventionell supraledning; supraledande energigap; flerkomponentsordning; tidsomkastningssymmetri; magnetism; fasdiagram.

Det supraledande gapets struktur
Bruten tidsomkastningssymmetri

Kvantkritikalitet

Vi studerar hur starka elektronkorrelationer förändrar metallers beteende nära kvantfasövergångar, där fluktuationer kan vara betydelsefulla även vid mycket låga temperaturer. Vårt arbete är inriktat på tungfermionföreningar, kvasikristaller och besläktade kristallina approximanter. Genom att följa värmekapacitetens och den magnetiska responsens temperatur- och magnetfältsberoende undersöker vi entropi och lågenergiexcitationer samt avvikelser från konventionellt metalliskt beteende.

Vi undersöker skalningssamband som visar om temperatur och magnetfält styr samma fluktuationer. I kvasikristallen Yb–Au–Al identifierar mätningar av den specifika värmekapaciteten en övergång mellan temperaturbegränsade och fältbegränsade kvantkritiska regimer. Jämförelser med periodiska approximantkristaller hjälper oss att undersöka betydelsen av atomstruktur och magnetiska växelverkningar, och att skilja kollektivt kritiskt beteende från respons som orsakas av uppsplittring av lokala magnetiska energinivåer.

Nyckelord: Kvantkritikalitet; tunga fermioner; kvasikristaller; approximantkristaller; elektronkorrelationer; skalning.

Kvantkritisk skalning i en kvasikristall
Approximantkristaller av Ce–Au–Al

Termisk dynamik

Vi undersöker hur energi utbyts mellan elektroner, gittervibrationer och spinnsystem, och hur långsam relaxation påverkar uppmätta termodynamiska egenskaper. Termisk impedansspektroskopi använder periodisk uppvärmning och mäter både amplitud och fas hos temperaturresponsen över ett intervall av frekvenser. Det gör att vi kan skilja bidrag med olika relaxationstider åt och avgöra när den uppmätta värmekapaciteten motsvarar termisk jämvikt.

En tillämpning är kalorimetrisk mätning av kärnspinnens spinn–gitterrelaxation, som ger tillgång till mikroskopisk dynamik tillsammans med elektronernas och kärnspinnens värmekapaciteter. Vi studerar också frustrerade magneter, såsom spinnis, där långsamma magnetiska excitationer gör den termiska responsen starkt frekvensberoende. Dessa mätningar kopplar värmekapacitet och entropi till relaxationsdynamik och hjälper oss att förklara varför olika experimentella tidsskalor kan ge till synes olika termodynamiska svar.

Nyckelord: Termisk impedansspektroskopi; dynamisk kalorimetri; spinn–gitterrelaxation; frustrerad magnetism; spinnis; relaxationsdynamik.

Kärnspinnens spinn–gitterrelaxation
Magnetisk relaxation i spinnis

Laboratoriets resurser

Låga temperaturer och magnetfält

- Utspädningskylning med en bastemperatur i kryostaten under 7 mK.

- Elektriska transportmätningar ned till 10 mK.

- Membranbaserad kalorimetri från 50 mK till 300 K.

- Magnetfält upp till 12 T och provrotation kring två axlar.

- Termisk impedansspektroskopi och synkroniserade flerkanalsmätningar.

- Möjlighet till vridmomentsmagnetometri och optisk åtkomst via installerade fibrer och ett kryostatfönster.

Figur 2. Vänster: nanokalorimeter monterad på provrotatorn med två rotationsaxlar. Höger: Bluefors utspädningskylare och mätelektronik i QMC-laboratoriet vid AlbaNova. Foto: Andreas Rydh.

Komponenttillverkning och provberedning

- Egen tillverkning av komponenter vid AlbaNova Nanofab, vägg i vägg med QMC-laboratoriet.

- Integrerade tunnfilmsvärmare och termometrar med låg magnetoresistans.

- Kristallpolering och borrning av packningar till tryckceller.

- Tryckbestämning med rubinfluorescensspektroskopi.

- Specialanpassad lågbruselektronik och FPGA-baserade mätsystem.

Metoder under utveckling

Vårt utvecklingsarbete omfattar membranbaserade komponenter för mätning av värmeledningsförmåga, som har tillverkats och testats, samt miniatyrkalorimetrar för tryckceller.

Miniatyrkalorimetrar för tryckceller