Figur 1:Vattendiagram, visar start av första ordningens övergång och samexistens av flytande och gasformiga tillstånd längs den svarta linjen. Övergången slutar vid den kritiska punkten, markerad med en stjärna. Upphovsman:Julio Larrea, anpassad från bild publicerad i Natur
Rena kvantsystem kan genomgå fasövergångar analogt med den klassiska fasövergången mellan vattenets flytande och gasformiga tillstånd. På kvantnivå, dock, partikeln snurrar i tillstånd som kommer från fasövergångar uppvisar kollektivt intrasslat beteende. Denna oväntade observation ger en ny väg för produktion av material med topologiska egenskaper som är användbara i spintronikapplikationer och kvantberäkning.
Upptäckten gjordes genom ett internationellt samarbete som leddes av Julio Larrea, professor vid University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP) i Brasilien. Larrea är första författare till en artikel om studien som publicerades i Natur .
"Vi fick de första experimentella bevisen för en första ordningens kvantfasövergång i ett kvasi-tvådimensionellt system som helt och hållet består av snurr. Det var en banbrytande studie när det gäller både experimentell utveckling och teoretisk tolkning, "Sa Larrea.
För att förstå betydelsen av denna upptäckt, det kommer att hjälpa till att undersöka den klassiska fasövergången, som kan exemplifieras av förändringen i vattentillståndet, och dess kvantanalog, exemplifierat av Mott-metallisolatorövergången.
"Förändringen i vattentillståndet, som inträffar vid 100 ° C under standardatmosfäriskt tryck, är vad vi kallar en första ordningens övergång. Det kännetecknas av ett diskontinuerligt hopp i molekyltätheten. Med andra ord, antalet vattenmolekyler per volymenhet varierar drastiskt mellan det ena tillståndet och det andra, "Larrea sa." Denna första ordningens diskontinuerliga övergång utvecklas i enlighet med tryck och temperatur tills den är helt undertryckt vid den så kallade kritiska punkten för vatten, som uppträder vid 374 ° C och 221 bar. Vid den kritiska punkten, övergången är andra ordningen, dvs kontinuerlig. "
I närheten av den kritiska punkten, vattnets egenskaper beter sig anomalt, eftersom densitetsfluktuationerna är oändligt korrelerade på atomlängdskalan. Som ett resultat, materialet uppvisar ett unikt tillstånd som skiljer sig både från en gas och en vätska (se figur 1).
Figur 2:SrCu 2 (BO 3 ) 2 centrifugeringsfasschema, visar start av första ordningens övergång vid absolut noll. Första ordningens övergång slutar vid den kritiska punkten, analogt med vattendiagrammet. Dock, till skillnad från vad som händer med vatten, i spinnsystemet uppstår ett nytt ordnat tillstånd som är rent kvantiskt och starkt korrelerat:Det antiferromagnetiska tillståndet. Upphovsman:Julio Larrea, anpassad från bild publicerad i Natur
"I kvantämne, Mott-metallisolatorövergången är ett sällsynt exempel på en första ordningens övergång. Till skillnad från vanliga metaller och isolatorer, som har fria elektroner som inte interagerar, ett Mott -tillstånd innebär stark interaktion mellan elektronladdningar, konfigurera kollektivt beteende, "Larrea förklarade." Energivågorna för dessa interaktioner är mycket låga, så en första ordningens kvantfasövergång mellan en metall och en isolator kan ske vid absolut noll, som är den lägsta möjliga temperaturen. Interaktionen mellan laddningar varierar med temperatur och tryck tills den undertrycks vid den kritiska punkten. När den kritiska punkten närmar sig, volymladdningstäthet, vilket är mängden laddning per volymenhet, genomgår en så abrupt förändring att det kan framkalla nya tillstånd av materia som supraledning. "
I de två nämnda exemplen, fenomenen involverar massiva partiklar som vattenmolekyler och elektroner. Frågan från forskarna var om begreppet fasövergång kunde utvidgas till masslösa kvantsystem, såsom ett system som enbart består av snurr (uppfattat som en kvantmanifestation av materia associerad med magnetiska tillstånd). En sådan situation hade aldrig observerats tidigare.
"Materialet vi använde var en frustrerad kvantantiferromagnet SrCu 2 (BO 3 ) 2 , "Sa Larrea." Vi mätte den specifika värmen för små prover under samtidigt extrema temperaturförhållanden [till 0,1 kelvin], tryck [till 27 kilobar] och magnetfält [till 9 tesla]. Specifik värme är en fysisk egenskap som ger oss ett mått på den inre energin i systemet, och från detta, vi kan utläsa olika typer av ordnat eller oriktigt kvanttillstånd, och eventuella elektroniska tillstånd eller intrasslade spinntillstånd. "
Att få dessa mätningar med den precision som krävs för att avslöja korrelerade kvanttillstånd, med hjälp av prover som utsatts för extremt låga temperaturer, högt tryck och starka magnetfält, var en formidabel experimentell utmaning, enligt Larrea. Experimenten utfördes i Lausanne, Schweiz, vid Laboratory for Quantum Magnetism vid Federal Polytechnic School of Lausanne (LQM-EPFL), leds av Henrik Rønnow. Mätarnas precision motiverade de teoretiska medarbetarna, ledd av Frédéric Mila (EPFL) och Philippe Corboz (University of Amsterdam), att utveckla toppmoderna beräkningsmetoder för att tolka de olika observerade avvikelserna.
"Våra resultat visade oväntade manifestationer av kvantfasövergångar i rena spinnsystem, "Sa Larrea." Först, vi observerade en kvantfasövergång mellan två olika typer av intrasslade spinntillstånd, dimertillståndet [snurrar korrelerade vid två atomplatser] och plackettillståndet [snurrar korrelerade vid fyra atomplatser]. Denna första ordningens övergång slutar vid den kritiska punkten, vid en temperatur av 3,3 kelvin och ett tryck på 20 kilobar. Även om de kritiska punkterna för vatten och SrCu 2 (BO 3 ) 2 spinnsystem har liknande egenskaper, staterna som uppstår nära spinsystemets kritiska punkt överensstämmer med en annan fysikbeskrivning, av typen Ising. "Termen Ising hänvisar till en modell för statistisk mekanik uppkallad efter den tyska fysikern Ernst Ising (1900-98).
"Vi observerade också att denna kritiska punkt har en diskontinuitet i magnetisk partikeltäthet, med trillingar eller tillstånd korrelerade i olika konfigurationer av spinnorientering, som leder till uppkomsten av ett rent kvantantifermagnetiskt tillstånd, "Sa Larrea (se figur 2).
Nästa steg för Larrea är att ta reda på mer om kritikaliteten och intrasslade spinntillstånd som dyker upp i närheten av den kritiska punkten, arten av de diskontinuerliga och kontinuerliga kvantfasövergångarna, och energivågorna som representerar interaktionerna och korrelationerna mellan elektronspinn och laddningar som leder till kvanttillstånd som superledning. "För detta ändamål, vi planerar att genomföra en studie med tryck kring den kritiska punkten och högre tryck, sa han. En ny anläggning, laboratoriet för kvantämne under extrema förhållanden (LQMEC), upprättas för detta ändamål i samarbete med Valentina Martelli, professor i IF-USP:s institution för experimentell fysik.
