De vanliga fasövergångarna är de som uppstår som en funktion av temperaturvariation. Is ändrar fas för att bli flytande vatten vid 0 grader Celsius. Flytande vatten ändrar fas för att bli vattenånga vid 100 grader Celsius. Liknande, magnetiska material blir omagnetiska vid kritiska temperaturer. Dock, det finns också fasövergångar som inte beror på temperaturen. De förekommer i närheten av absoluta nollpunkten [-273,15 grader Celsius] och är förknippade med kvantfluktuationer.

En studie som involverar experiment under extrema förhållanden, speciellt ultralåga temperaturer och intensiva magnetfält, och tillsammans med teoretisk tolkning av de experimentella resultaten utforskade denna typ av situation och undersökte den kvantkritiska punkten som manifesterades i en mycket ovanlig övergång.

Italienska forskaren Valentina Martelli och peruanen Julio Larrea, båda professorerna vid University of São Paulo Physics Institute (IF-USP) i Brasilien, deltog i studien, som publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

Den experimentella delen, ledd av professor Silke Paschen, genomfördes i laboratorierna vid Wiens tekniska universitet (TUW) i Österrike. Det teoretiska arbetet utfördes av en grupp ledd av Qimiao Si, Professor i fysik och astronomi vid Rice University i USA.

"Vi hittade och tolkade bevis på två på varandra följande kvantkritiska punkter associerade med en dubbel nedbrytning av Kondo-effekten, "Berättade Larrea.

Uppkallad efter den japanske fysikern Jun Kondo (född 1930), Kondo-effekten förklarar bildningen av tunga fermioner i metallföreningar baserade på sällsynta jordartsmetaller. I dessa föreningar, elektronerna beter sig kollektivt på grund av deras starka korrelation, bildar en singlett (ett kollektiv av distinkta partiklar som beter sig som en enda partikel), vilket kan representeras som kopplingen av det lokala magnetiska momentet för jonen av sällsynta jordartsmetaller med ledningselektronen runt den. Denna kvasipartikel kan nå massor upp till tusentals gånger massan av en fri elektron.

I studien som beskrivs här, singletten bröts två gånger i två magnetiska ordningar:en dipolär, som härrör från kvasipartikelns magnetiska moment, och den andra fyrpolära, till följd av interaktionen mellan dess elektroniska orbitaler.

Experimentet utfördes med den tunga fermionen Ce3Pd20Si6, en förening av cerium (Ce), palladium (Pd) och kisel (Si). Larrea kommer att fortsätta undersökningarna med stöd från São Paulo Research Foundation via projektet "En undersökning av topologiska och exotiska kvanttillstånd under extrema förhållanden."

"Utgångspunkten för dessa övergångar är de starka korrelationerna mellan elektroner och vissa material, som gör det möjligt för oss att förstå denna typ av tillståndsförändring, sa Larrea.

"Olika typer av kollektiv interaktion kan påverka elektroner. Ett möjligt tillstånd är vad vi kallar "konstig metall." I tunga fermioner, elektrontransport är analog med den för vanliga metaller, men elektronerna är starkt korrelerade och beter sig kollektivt som om de bildade en enda kvasipartikel, som transporterar laddningen. Detta är inte vad som händer i en kvantfasövergång, så kallas staten ”konstig.” Det vi observerade experimentellt är att fysiska egenskaper som elektrisk motstånd beter sig ganska annorlunda än klassisk elektrontransport i metaller. ”

Fenomenet inträffar vid extremt låga temperaturer mycket nära absoluta nollpunkten. När temperaturen sjunker så här låg, termodynamiska fluktuationer praktiskt taget försvinner, och kvantfluktuationer observeras, utgör "mediet" i vilket interaktioner mellan elektroner äger rum.

"Fram till publiceringen av vår studie, de flesta experiment av detta slag hade fokuserat på material där elektronkorrelation leder till vad som kallas simultant ambulerande och lokaliserad elektronmagnetism. Dessa material tillhör gruppen sällsynta jordartsmetaller och inkluderar tunga fermioner:'fermioner' eftersom elektronerna har fraktionärt snurr och lyder Fermi-Dirac-statistik; 'tung' eftersom de korrelerar med en kvasi-partikel med stor effektiv massa, sa Larrea.

"Dessa material har också ett magnetiskt moment, så förutom en laddningsbärande kvasipartikel, de är också associerade med en kvasipartikel med ett magnetiskt moment som är avskärmat eller avskärmat av ledningselektronerna. Varje avskärmat magnetiskt moment kan kopplas till sin granne i kristallgittret, producerar en magnetisk ordning i hela materialet. I fallet med Ce3Pd20Si6, denna ordning är av det antiferromagnetiska slaget, vilket innebär att de magnetiska momenten i gittret är kopplade på ett antiparallellt sätt. Vid den kvantkritiska punkten, denna magnetiska ordning kan undertryckas utan påverkan av en termodynamisk styrparameter utan genom att applicera ett magnetfält. Kondo singleten går sönder, och elektronen som var kopplad till denna magnetiska ordning separeras helt enkelt."

Detta motsäger inte grunderna i kvantmekaniken, men det är väldigt annorlunda än vad som beskrivs i fysikens grundläggande läroböcker. Eftersom det magnetiska momentet definieras i förhållande till spinnet, undertryckandet av den magnetiska ordningen skapar en situation där elektronerna verkar sakna spin.

"Denna kvantkritiska punkt baserad på en magnetisk ordning hade tidigare rapporterats i andra artiklar, " sa Larrea. "Skillnaden i vårt fall var att förutom den dipolära magnetiska ordningen, materialet uppvisade också en fyrpolär magnetisk ordning genererad av elektronernas orbitaler. Vårt fasdiagram, vilket nästan är en grafisk sammanfattning av studien, visar därför två kvantkritiska punkter:en där den dipolära ordningen är störd, och den andra där den fyrpoliga ordningen är bruten."

Enligt Larrea, bortsett från denna upptäckt, studiens resultat är också viktiga i den mån de bidrar till förståelsen av andra olösta problem, till exempel hur elektroner är kollektivt organiserade för att producera supraledning. "En kollektiv order behövs för att producera långväga transporter, ", sa han. "Vissa typer av material med starka korrelationer mellan elektroner kan ge detta. Vi vet nu att dessa starka korrelationer kan undertryckas för att gynna bildandet av nya tillstånd med mätbara fysikaliska egenskaper, även vid temperaturer som skiljer sig från absoluta nollpunkten."

Nästa steg är att utvidga undersökningen av förändringar i elektronkorrelationer med hjälp av en annan styrparameter – tryck – så att det i framtiden blir möjligt att göra teknologisk användning av denna kunskap inom områden som kvantberäkning.