I fysik, saker existerar i faser, såsom fast, flytande och gastillstånd. När något går från en fas till en annan, vi talar om en fasövergång - som vatten som kokar till ånga, övergå från vätska till gas.

I våra kök, vattnet kokar vid 100 grader C, och dess densitet förändras dramatiskt, gör ett diskontinuerligt hopp från vätska till gas. Dock, om vi ökar trycket, vattnets kokpunkt ökar också, tills ett tryck på 221 atmosfärer där det kokar vid 374 grader C. Här, något konstigt händer:vätskan och gasen smälter samman till en enda fas. Ovanför denna "kritiska punkt, "det finns inte längre en fasövergång alls, och så genom att kontrollera dess tryck, vatten kan styras från vätska till gas utan att någonsin passera en.

Finns det en kvantversion av en vattenliknande fasövergång? "De nuvarande riktningarna inom kvantmagnetism och spintronik kräver mycket spin-anisotropa interaktioner för att producera fysiken för topologiska faser och skyddade qubits, men dessa interaktioner gynnar också diskontinuerliga kvantfasövergångar, säger professor Henrik Rønnow vid EPFL:s School of Basic Sciences.

Tidigare studier har fokuserat på smidig, kontinuerliga fasövergångar i kvantmagnetiska material. Nu, i ett gemensamt experimentellt och teoretiskt projekt ledd av Rønnow och professor Frédéric Mila, även på grundskolan, fysiker vid EPFL och Paul Scherrer Institute har studerat en diskontinuerlig fasövergång för att observera den första kritiska punkten någonsin i en kvantmagnet, liknande vatten. Verket är nu publicerat i Natur .

Forskarna använde en kvantantiferromagnet, känd inom området som SCBO (från dess kemiska sammansättning:SrCu ₂ (BO ₃ ) ₂ ). Kvantantiferromagneter är särskilt användbara för att förstå hur kvantaspekterna av ett materials struktur påverkar dess övergripande egenskaper – till exempel, hur dess elektroners spinn interagerar för att ge dess magnetiska egenskaper. SCBO är också en "frustrerad" magnet, vilket betyder att dess elektronsnurr inte kan stabiliseras i någon ordnad struktur, och istället antar de några unikt kvantfluktuerande tillstånd.

I ett komplext experiment, forskarna kontrollerade både trycket och magnetfältet som applicerades på milligrambitar av SCBO. "Detta gjorde det möjligt för oss att se över hela den diskontinuerliga kvantfasövergången och på så sätt hittade vi kritiska punkters fysik i ett rent spinnsystem, säger Rønnow.

Teamet utförde högprecisionsmätningar av den specifika värmen hos SCBO, som visade sin beredskap att absorbera energi. Till exempel, vatten absorberar endast små mängder energi vid -10 grader C, men vid 0 grader C och 100 grader C, det kan ta upp enorma mängder eftersom varje molekyl drivs över övergångarna från is till vätska och vätska till gas. Precis som vatten, tryck-temperaturförhållandet för SCBO bildar ett fasdiagram som visar en diskontinuerlig övergångslinje som separerar två kvantmagnetiska faser, med linjen som slutar vid en kritisk punkt.

"Nu, när ett magnetfält appliceras, problemet blir rikare än vatten, " säger Frédéric Mila. "Ingen magnetisk fas påverkas starkt av ett litet fält, så linjen blir en vägg av diskontinuiteter i ett tredimensionellt fasdiagram - men sedan blir en av faserna instabil och fältet hjälper till att driva den mot en tredje fas."

För att förklara detta makroskopiska kvantbeteende, forskarna slog sig ihop med flera kollegor, särskilt professor Philippe Corboz vid universitetet i Amsterdam, som har utvecklat kraftfulla nya datorbaserade tekniker.

"Tidigare, det var inte möjligt att beräkna egenskaperna hos "frustrerade" kvantmagneter i en realistisk två- eller tredimensionell modell, " säger Mila. "Så SCBO ger ett vältajmat exempel där de nya numeriska metoderna möter verkligheten för att ge en kvantitativ förklaring av ett fenomen som är nytt för kvantmagnetism."

Henrik Rønnow avslutar:"Ser fram emot, nästa generation av funktionella kvantmaterial kommer att växlas över diskontinuerliga fasövergångar, så en korrekt förståelse av deras termiska egenskaper kommer säkerligen att omfatta den kritiska punkten, vars klassiska version har varit känd för vetenskapen i två århundraden."