De eigenaardige kenmerken die worden aangetoond door kwantumkritische punten op het absolute nulpunt, blijven een van de grote onopgeloste mysteries van de wetenschap.

Normaal gesproken, er moet een temperatuurverandering zijn om een ​​faseovergang te zien:een vloeistof wordt koud, het vriest; een metaal warmt op, het verliest zijn magnetische eigenschappen. Maar er zijn enkele faseovergangen waarbij de temperatuur niet kan veranderen, omdat ze precies op het absolute nulpunt voorkomen. De kwantumkritieke punten waar dergelijke overgangen plaatsvinden, zijn al vele jaren onderwerp van intensief onderzoek, toch zijn ze nog steeds enorm raadselachtig voor kwantumfysici.

Tot nu, bijvoorbeeld, er is geen alomvattend theoretisch model voor de supergeleiding bij hoge temperatuur waarvan wordt vermoed dat deze nauw verband houdt met kwantumkritieke punten - hoewel een dergelijk model veel nuttige technische toepassingen zou kunnen genereren. Thomas Schäfer, Karsten Held en Alessandro Toschi van het Institute of Solid State Physics aan de TU Wien werken aan een beter begrip van deze fenomenen, publiceren van hun nieuwe ideeën op dit gebied in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Fluctuaties:als het kan schudden, het zal schudden

"Thermische fluctuaties zijn meestal verantwoordelijk voor faseovergangen, " legt Thomas Schäfer uit. "Individuele deeltjes beginnen te trillen of roteren, bijvoorbeeld, volledig willekeurig. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer uitgesproken deze fluctuaties worden, wat kan leiden tot een faseovergang - waardoor een vaste stof smelt, bijvoorbeeld."

Als u de temperatuur verlaagt, de deeltjes bewegen steeds minder, totdat ze het absolute nulpunt bereiken, op dat moment zouden ze helemaal niet meer moeten bewegen. Dus, men zou kunnen veronderstellen dat de totale rust zal zijn hersteld op het absolute nulpunt, aangezien er niets meer kan veranderen ... maar zo eenvoudig is het niet.

"De kwantumfysica stelt dat het onmogelijk is voor een deeltje om volledig in rust te zijn op een specifieke locatie, ", zegt Alessandro Toschi. "Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg vertelt ons dat positie en momentum niet met totale precisie kunnen worden vastgesteld. Daarom, de positie en het momentum van een deeltje kunnen nog steeds veranderen op het absolute nulpunt, zelfs als klassieke thermische schommelingen niet meer aanwezig zijn. Deze veranderingen staan ​​bekend als kwantumfluctuaties."

Dus, wanneer het te koud is voor klassieke schudbewegingen, kwantumfysica zorgt ervoor dat fysiek interessante dingen nog steeds kunnen gebeuren. En dat is precies waarom faseovergangen op het absolute nulpunt zo eindeloos fascinerend zijn.

Moment en energie

"Wat cruciaal is voor het gedrag van de deeltjes, is hoe hun momentum zich verhoudt tot energie, " zegt Thomas Schäfer. Voor een bal die door de lucht wordt gegooid, de correlatie is eenvoudig:hoe groter het momentum, hoe groter de kinetische energie. De energie neemt toe met het kwadraat van het momentum. Maar voor deeltjes in een vaste stof, deze relatie is veel gecompliceerder, en kan er heel anders uitzien, afhankelijk van de richting waarin het deeltje beweegt. Daarom, deze verbinding is gemodelleerd met behulp van 'Fermi-oppervlakken', die complexe driedimensionale vormen kunnen aannemen.

"Tot nu, men dacht dat de vorm van deze Fermi-oppervlakken niet significant was in termen van kwantumfaseovergangen, ', zegt Karsten Held. 'We hebben kunnen aantonen dat dat niet het geval is. Alleen als je rekening houdt met de vorm, kun je bepaalde fysieke effecten – bijvoorbeeld de manier waarop de magnetische eigenschappen van een materiaal zullen veranderen als het het absolute nulpunt nadert."

Nu hopen de onderzoekers deze nieuwe tool te gebruiken om kwantumkritische materialen beter te beschrijven - en misschien licht te werpen op enkele van de grote mysteries waar de materiaalwetenschap al zoveel jaren zo hard aan heeft gewerkt om op te lossen.