När materia ändras från fasta ämnen till vätskor till ångor, förändringarna kallas fasövergångar. Bland de mest intressanta typerna är mer exotiska förändringar – kvantfasövergångar – där kvantmekanikens märkliga egenskaper kan åstadkomma extraordinära förändringar på konstiga sätt.

I en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , ett team av forskare ledda av Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory rapporterar upptäckten av en ny typ av kvantfasövergång. Denna unika övergång sker vid en elastisk kvantkritisk punkt, eller QCP, där fasövergången inte drivs av termisk energi utan istället av kvantfluktuationerna hos själva atomerna.

Forskarna använde en kombination av neutron- och röntgendiffraktionstekniker, tillsammans med värmekapacitetsmätningar, för att avslöja hur en elastisk QCP kan hittas i ett lantan-kopparmaterial genom att helt enkelt lägga till lite guld.

Fasövergångar associerade med QCP sker vid nära absolut nolltemperatur (cirka minus 460 grader Fahrenheit), och drivs vanligtvis vid den temperaturen via faktorer som tryck, magnetiska fält, eller genom att ersätta ytterligare kemikalier eller grundämnen i materialet.

"Vi studerar QCP eftersom material uppvisar många konstiga och spännande beteenden nära nolltemperaturfasövergången som inte kan förklaras av klassisk fysik, " sa huvudförfattaren Lekh Poudel, en doktorand vid University of Tennessee som arbetar i ORNL:s Quantum Condensed Matter Division. "Vårt mål var att utforska möjligheten till en ny typ av QCP där kvantrörelsen förändrar atomernas arrangemang.

"Dess existens hade teoretiskt förutspåtts, men det hade inte funnits några experimentella bevis förrän nu, ", sa han. "Vi är de första att konstatera att det elastiska QCP-systemet existerar."

"Studien av kvantfasövergångar är en del av ett större försök att studera kvantmaterial som har potential att användas i enheter som flyttar oss bortom våra nuvarande teknologiparadigm och förser oss med transformativa funktioner, " sa ORNL-instrumentforskaren Andrew Christianson.

"Kvantfasövergångar är prototyper för att generera nya kvantfaser av materia. På det sättet, vi försöker alltid identifiera nya typer av kvantfasövergångar eftersom de är ett av sätten vi hittar nya kvantmekaniska beteenden i material."

För att bättre förstå lantan-koppar-guldets unika beteende, teamet använde instrumentet Neutron Powder Diffractometer vid ORNL:s High Flux Isotope Reactor - en DOE Office of Science User Facility - för att karakterisera materialets struktur, lägga till mer guld till kompositionen med varje efterföljande mätning.

"Neutroner tillät oss att titta djupt in i materialet vid extremt låga temperaturer för att se var atomerna var och hur de uppförde sig, sa Poudel.

Forskare visste redan att utan närvaron av guld, lantan-koppar genomgår en fasövergång vid ungefär 370 grader Fahrenheit, där systemets kristallstruktur förändras vid kylning. När mer guld tillsätts, övergångstemperaturen sjunker stegvis. Poudel och teamet fortsatte att lägga till mer guld tills övergångstemperaturen nådde nära absolut noll.

"Eftersom guldatomer har en betydligt större atomradie än kopparatomer, när vi lägger till guld till materialet, missanpassningen av atomer inuti kristallstrukturen undertrycker fasövergången till en lägre temperatur genom att manipulera strukturens inre spänning. Vid nära noll temperatur, där termisk energi inte längre spelar någon roll i fasövergången, vi kan se effekterna av kvantfluktuationer i atomernas rörelse, sa Poudel.

Forskarna utförde också mätningar av värmekapacitet, som visade hur mycket värme som behövdes för att ändra temperaturen på materialet några grader och gav information om svängningarna i materialet.

"Viktigt, de kombinerade resultaten visar att detta är det första exemplet på en potentiell elastisk QCP, där de elektroniska energivågorna inte har någon relevans för kvantfluktuationerna, sa Andrew May, en forskare vid ORNL:s materialvetenskap och teknikavdelning.

"Denna elastiska QCP i LaCu6-xAux är ett perfekt exempel på där det grundläggande beteendet hos en QCP kan studeras utan komplikationen av laddningen av elektronerna, vilket förmodligen inte skulle vara möjligt i andra exempel på QCP, sade Poudel. Nu när vi har hittat dem, vi kan närmare studera de mikroskopiska fluktuationerna som driver denna kvantfasövergång och tillämpa andra tekniker som kommer att ge oss ett större djup av kunskap om dessa extraordinära beteenden."

Av forskningen, University of Tennessee och ORNL gemensamma fakultetsmedlem David Mandrus sa, "Det här arbetet är ett bra exempel på hur University of Tennessee och ORNL kan slå sig samman för att producera förstklassig vetenskap och leverera en oöverträffad utbildningsmöjlighet för en mycket motiverad doktorand. Framgångsberättelser som denna kommer att hjälpa till att locka fler ung talang till Tennessee, vilket kommer att gynna både UTK och ORNL."

Tidningens författare inkluderar Lekh Poudel, Andrew F. May, Michael R. Koehler, Michael A. McGuire, Saikat Mukhopadhyay, Stuart Calder, Ryan  E. Baumbach, Rupam Mukherjee, Deepak Sapkota, Clarina dela Cruz, David J. Singh, David Mandrus och Andrew D. Christianson.

Kompletterande bidrag gjordes av institutionerna för fysik och astronomi och materialvetenskap och teknik vid University of Tennessee, Institutionen för fysik och astronomi vid University of Missouri, National High Magnetic Field Laboratory vid Florida State University och Argonne National Laboratory's Advanced Photon Source, en DOE Office of Science User Facility.

Forskningen stöddes av DOE:s Office of Science, DOE:s S3TEC Energy Frontier Research Center, och National Science Foundation.