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ExtremeP: A Joint Pressure Capability for Complementary Neutron and Muon Experiments on Quantum Materials

English title ExtremeP: A Joint Pressure Capability for Complementary Neutron and Muon Experiments on Quantum Materials
Applicant Janoschek Marc
Number 198101
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.04.2021 - 31.03.2023
Approved amount 362'907.00
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Keywords (4)

Quantum Materials; Muon Spin Spectroscopy; High Pressure; Neutron Scattering

Lay Summary (German)

Lead
Quantenmaterialien sind dadurch gekennzeichnet, dass sie makroskopische funktionale Eigenschaften zeigen, die durch echte Quantenwechselwirkungen getrieben werden. Beispiele sind Supraleiter oder magnetische Materialien, die bereits erfolgreich in Anwendungen in der Medizin, Elektromobilität und Speichermedien benutzt werden. Eine neue Generation von Quantenmaterialien zeigt weiterhin Potential für Anwendungen in Quantencomputern, neuen energiesparsamen Speichermedien, Spintronics oder gar neuartigen elektronischen Bausteinen. Das „Tunen“ mit Druck hat sich als eine erfolgreiche Strategie etabliert, um Quantenmaterialien zu erforschen. Die Relevanz von Hockdruckexperimenten um Quantenmaterialien zu optimieren und besser zu verstehen, wird exemplarisch von neuartigen Supraleitern verdeutlicht, die unter Hochdruck bereits bei Raumtemperatur Supraleitung aufzeigen.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Das Ziel von ExtremeP ist es am Paul Scherrer Institut eine international einzigartige Entwicklung zu realisieren, um kombinierte Hochdruckexperimente an Quantenmaterialien mit sowohl Neutronenstreuung als auch Myonenspektroskopie ausführen zu können. Beide Methoden sind zentral bei der Forschung an Quantenmaterialien, und können vor allem in Kombination einzigartige Einblicke in die Funktionsweise dieser faszinierenden Materialien mit Potential für zukünftige Anwendungen liefern. Die technische Entwicklung, die durch dieses Gesuch möglich wird, hat es zum Ziel den erreichbaren Druck für die Erforschung von Quantenmaterialien dreifach zu erhöhen. 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Das „Tunen“ von Quantenmaterialien mit Druck ist ein weltweit etabliertes Verfahren zur Erforschung der damit verbundenen funktionalen Eigenschaften. Was jedoch bis jetzt nicht möglich ist, ist das Messen der zugrundeliegenden Quantenwechselwirkungen, weil die entsprechenden Spektroskopischen Messmethoden schwierig mit Druck vereinbar sind. ExtremeP ist ein Vorschlag diese Beschränkung für Neutronen/ und Myonenspektroskopie aufzuheben. Diese Entwicklung wird neue wissenschaftliche Einsichten bringen, die das Verständnis von Quantenmaterialien und die Verwertung ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften für Anwendungen deutlich voranbringen wird. 

Direct link to Lay Summary Last update: 20.11.2020

Responsible applicant and co-applicants

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
180652 Educated search for high-temperature superconductivity in novel electronic materials 01.01.2019 Croatian-Swiss Research Programme (CSRP)
175868 Novel focusing neutron optics for extreme conditions 01.02.2018 Project funding (Div. I-III)
192109 Stabilization and destabilization of spin liquids by perturbations 01.09.2020 Project funding (Div. I-III)
182892 NCCR MARVEL: Materials’ Revolution: Computational Design and Discovery of Novel Materials (phase II) 01.05.2018 National Centres of Competence in Research (NCCRs)
188707 Creation and exploration of high-density topological skyrmion phases in 4f magnets 01.11.2020 Project funding (Div. I-III)
171003 Discovery and Nanoengineering of Novel Skyrmion-hosting Materials 01.10.2017 Sinergia
188564 Interdisciplinary Approach to Unconventional Superconductivity 01.01.2020 Project funding (Div. I-III)
188648 Quantum Magnetism - from fundamentals to applications 01.10.2019 Project funding (Div. I-III)
184983 Kondo breakdown and magnetic quantum criticality in a heavy-fermion superconductor 01.04.2019 Project funding (Div. I-III)
172611 Superconductivity, magnetism and unconventional charge dynamics of high temperature superconductors, oxide thin films and heterostructures 01.04.2017 Project funding (Div. I-III)
182536 New structures and dynamics emerging from frustration 01.12.2018 Project funding (Div. I-III)
175935 Charge Density Wave and Superconductivity: Investigation on the Coexistence, Coupling and Competition of the Two Ground States 01.01.2018 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Pressure is a crucial thermodynamic variable that controls the state of matter, and is vital for technical applications such as crude oil refining, refrigeration and air conditioning, and efficient power production. Similarly, it is well established that “pressure-tuning” of advanced materials that are currently developed for tomorrow’s applications is an effective way to study their emer-gent properties. Pressure is a particularly clean “control knob” for quantum materials, which increases the overlap of electronic orbitals in a material, leading to changes of the atomic bond-ing forces, magnetic and electronic interactions, and thus can be used to “tune” materials from one state to another or to “optimize” desired material characteristics. For example, in supercon-ductors the superconducting temperature may increase substantially under pressure. This R’Equip project proposes to take advantage of the collocation of two unique large-scale facilities at the Paul Scherrer Institute (PSI) in Switzerland, namely the Swiss neutron spalla-tion source SINQ and the Swiss Muon Source SµS to establish the novel joint ultra-high-pressure capability ExtremeP. ExtremeP will enable the combined user community of both fa-cilities to carry out complementary neutron scattering and muon spin rotation (µSR) experi-ments on quantum materials at hydrostatic pressure conditions of up to 8 GPa-an increase of nearly a factor 3- and uniaxial strain up to 2%. ExtremeP will be based on various compact and innovative pressure cell designs that will enable material studies by both complementary methods under identical conditions, thus creating a novel capability to answer pressing ques-tions on quantum matter. Notably, although pressure-tuning of quantum materials is well-established, to understand why a material has changed or improved properties requires the combination of high-pressure environments with spectroscopic methods able to uncover atom-ic-scale changes, which will be achieved by ExtremeP. In particular, both the neutron and µSR instrumentation at PSI is currently receiving upgrades that ensure optimal integration of Ex-tremeP on the beamlines. Finally, for the study of quantum materials that exhibit interesting properties under pressure it is often required to simultaneously tune to the extremes of low temperatures and high magnet-itic fields. The compact pressure cell design at the heart of ExtremeP will address this challenge as it will easily fit in existing high-field magnets and low-temperature cryostats allowing high-pressure neutron experiments in magnetic fields up to 11 T and down to 2 K. For µSR high-field studies will only become available at a later stage. In turn, ExtremeP will open up ultra-high-pressure experiments with neutrons and muons over a wide parameter range that will be unique internationally. This new capability will be used to answer a broad range of scientific questions with relevance for both fundamental understanding and applications of quantum matter as highlighted by the research activities that require ExtremeP summarized in this application.
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