En forskargrupp från Bar-Ilan University, i samarbete med franska kollegor på CNRS Grenoble, har utvecklat ett unikt experiment för att upptäcka kvanthändelser i ultratunna filmer. Denna nya forskning, publiceras i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation , ökar förståelsen för grundläggande fenomen som uppstår i nanostora system nära absolut nolltemperatur.

Övergångar, Faser och kritiska punkter

En fasövergång är en allmän term för fysiska fenomen där ett system övergår från ett tillstånd till ett annat som ett resultat av att temperaturen ändras. Vardagliga exempel är övergången från is till vatten (fast till flytande) vid noll grader Celsius, och från vatten till ånga (vätska till gas) vid 100 grader.

Temperaturen vid vilken övergången sker kallas den kritiska punkten. Nära denna punkt inträffar intressanta fysiska fenomen. Till exempel, när vatten värms upp, små gasregioner börjar bildas och vattnet bubblar. När temperaturen på vätskan höjs mot den kritiska punkten växer storleken på gasbubblorna. När bubblans storlek blir jämförbar med ljusets våglängd, ljuset sprids och får den normalt transparenta vätskan att framstå som "mjölkaktig" - ett fenomen som kallas kritisk opalescens.

Under de senaste åren har det vetenskapliga samfundet visat ett växande intresse för kvantfasövergångar där ett system passerar mellan två tillstånd vid absolut nolltemperatur (-273 grader) som ett resultat av manipulering av en fysisk parameter som magnetfält, tryck eller kemisk sammansättning istället för temperatur. I dessa övergångar sker förändringen inte på grund av den termiska energin som tillförs systemet genom uppvärmning utan snarare genom kvantfluktuationer. Även om absolut noll inte fysiskt kan uppnås, övergångens egenskaper kan detekteras i systemets mycket låga temperaturbeteende nära den kvantkritiska punkten. Sådana egenskaper inkluderar "kvantbubblor" i en fas i den andra. Storleken och livslängden för dessa kvantbubblor ökar när systemet ställs in mot den kritiska punkten, vilket ger upphov till en kvantekvivalent av kritisk opalescens.

Den teoretiska förutsägelsen av sådan kvantkritik kom för några decennier sedan, men hur man mäter detta experimentellt har förblivit ett mysterium. Aviad Frydman vid Bar-Ilan-universitetets institution för fysik och institut för nanoteknik och avancerade material, och hans elev Shachar Poran, tillsammans med Dr. Olivier Bourgeois från CNRS Grenoble, har för första gången gett svaret.

Skapa en nanotrampolin

Vid normala fasövergångar finns en unik mätbar kvantitet som används för att detektera en kritisk punkt. Detta är den specifika värmen som mäter mängden värmeenergi som bör tillföras ett system för att höja dess temperatur med en grad. Att höja temperaturen på ett system med två grader kräver dubbelt så mycket energi som behövs för att öka det med en grad. Dock, nära en fasövergång är detta inte längre fallet. Mycket av energin investeras i att skapa bubblor (eller fluktuationer) och, därför, mer energi måste investeras för att generera en liknande temperaturförändring. Som ett resultat, den specifika värmen stiger nära den kritiska punkten och dess mätning ger information om fluktuationerna.

Att mäta specifik värme i ett system nära en kvantkritisk punkt utgör en mycket större utmaning. För det första, mätningarna måste utföras vid låga temperaturer. För det andra, de system som studeras är nanotunna lager som kräver extremt känsliga mätningar. Frydmans grupp övervann dessa hinder genom att utveckla en unik experimentell design baserad på ett tunt membran som hänger i luften av mycket smala broar, och bildar därigenom en "nanotrampolin". Denna inställning möjliggjorde specifika värmemätningar av de tunna filmerna genom en kvantfasövergång från ett supraledande tillstånd till ett elektriskt isolerande tillstånd nära absolut noll temperatur.

Mätningen som Frydmans grupp utför är den första i sitt slag. Resultaten visar att precis som vid en termisk fasövergång, den specifika värmen ökar på samma sätt i närheten av en kvantkritisk punkt, och kan användas som en sond för kvantkritik. Detta arbete förväntas bli en milstolpe i förståelsen av fysiska processer som styr beteendet hos ultratunna system vid ultralåga temperaturer.

Professor Frydman kommer att presentera denna forskning vid ett antal internationella konferenser under de kommande veckorna. Forskningen stöddes av Laboratoire d'Excellence LANEF i Grenoble (ANR-10-LABX-51-01) för professor Frydman.