De särdrag som kvantkritiska punkter visar vid absolut noll är fortfarande ett av vetenskapens stora olösta mysterier.

I vanliga fall, det måste ske en temperaturförändring för att se en fasövergång:en vätska blir kall, det fryser; en metall värms upp, det tappar sina magnetiska egenskaper. Men det finns några fasövergångar där temperaturen inte kan förändras, eftersom de förekommer precis vid absolut noll. De kvantkritiska punkterna där sådana övergångar sker har varit föremål för intensiv forskning i många år, men de är fortfarande mycket förbryllande för kvantfysiker.

Tills nu, till exempel, Det har inte funnits någon heltäckande teoretisk modell för högtemperatur supraledning som misstänks vara nära besläktad med kvantkritiska punkter-även om en sådan modell kan generera många användbara tekniska tillämpningar. Thomas Schäfer, Karsten Held och Alessandro Toschi från Institute of Solid State Physics vid TU Wien arbetar för en bättre förståelse av dessa fenomen, publicera sina nya idéer om detta område i tidningen Fysiska granskningsbrev .

Fluktuationer:om det kan skaka, det kommer att skaka

"Termiska fluktuationer är vanligtvis ansvariga för fasövergångar, " förklarar Thomas Schäfer. "Enskilda partiklar börjar skaka eller rotera, till exempel, helt slumpmässigt. Ju högre temperatur, ju mer uttalade dessa fluktuationer blir, vilket kan leda till en fasövergång - vilket får ett fast ämne att smälta, till exempel."

När du sänker temperaturen, partiklarna rör sig mindre och mindre, tills de når absolut noll, vid vilken tidpunkt de inte längre borde röra sig alls. Så, man kan anta att total lugn har återställts till absolut noll, eftersom ingenting kan förändras längre ... men det är inte riktigt så enkelt som det.

"Kvantfysiken säger att det är omöjligt för en partikel att vara helt i vila på en specifik plats, "säger Alessandro Toschi." Heisenbergs osäkerhetsprincip säger oss att position och momentum inte kan fastställas med total precision. Därför, en partikels position och momentum kan fortfarande förändras vid absolut noll, även om klassiska termiska fluktuationer inte längre är närvarande. Dessa förändringar är kända som kvantfluktuationer. "

Så, när det är för kallt för klassiska skakningsrörelser, kvantfysiken säkerställer att fysiskt intressanta saker fortfarande kan hända. Och det är just därför fasövergångar vid absolut noll är så oändligt fascinerande.

Momentum och energi

"Det som är avgörande för partiklarnas beteende är hur deras fart hänför sig till energi, "säger Thomas Schäfer. För en boll som kastas genom luften, korrelationen är enkel:ju större fart, desto större rörelseenergi. Energin ökar i takt med momentum. Men för partiklar i ett fast ämne, detta förhållande är mycket mer komplicerat, och kan se väldigt olika ut, beroende på i vilken riktning partikeln rör sig. Därför, denna anslutning är modellerad med "Fermi-ytor", som kan anta komplexa tredimensionella former.

"Tills nu, man trodde att formen på dessa Fermi -ytor inte var signifikant när det gäller kvantfasövergångar, "säger Karsten Held." Vi har kunnat visa att så inte är fallet. Endast om du tar hänsyn till formen kan du exakt beräkna vissa fysiska effekter - till exempel det sätt på vilket materialets magnetiska egenskaper kommer att förändras när det närmar sig absolut noll. "

Nu hoppas forskarna kunna använda detta nya verktyg för att bättre beskriva kvantkritiska material - och kanske belysa några av de stora mysterier som materialvetenskap har arbetat så hårt med att lösa i så många år.