De gemeenschappelijke faseovergangen zijn die optreden als een functie van temperatuurvariatie. IJs verandert van fase om vloeibaar water te worden bij 0 graden Celsius. Vloeibaar water verandert van fase in waterdamp bij 100 graden Celsius. evenzo, magnetische materialen worden niet-magnetisch bij kritische temperaturen. Echter, er zijn ook faseovergangen die niet temperatuurafhankelijk zijn. Ze komen voor in de buurt van het absolute nulpunt [-273,15 graden Celsius] en worden geassocieerd met kwantumfluctuaties.

Een onderzoek met experimenten onder extreme omstandigheden, bijzonder ultra-lage temperaturen en intense magnetische velden, en vergezeld van theoretische interpretatie van de experimentele resultaten, onderzochten dit soort situaties en onderzochten het kwantumkritieke punt dat zich manifesteerde in een hoogst ongebruikelijke overgang.

Italiaanse onderzoeker Valentina Martelli en Peruaan Julio Larrea, beide professoren aan het University of São Paulo Physics Institute (IF-USP) in Brazilië, deelgenomen aan het onderzoek, die is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

Het experimentele gedeelte, onder leiding van professor Silke Paschen, werd uitgevoerd in de laboratoria van de Technische Universiteit Wenen (TUW) in Oostenrijk. Het theoretische werk werd uitgevoerd door een groep onder leiding van Qimiao Si, Hoogleraar natuur- en sterrenkunde aan de Rice University in de Verenigde Staten.

"We hebben bewijs gevonden en geïnterpreteerd van twee opeenvolgende kwantumkritieke punten die verband houden met een dubbele afbraak van het Kondo-effect, ' vertelde Larrea.

Genoemd naar de Japanse natuurkundige Jun Kondo (geboren in 1930), het Kondo-effect verklaart de vorming van zware fermionen in metaalverbindingen op basis van zeldzame aardelementen. In deze verbindingen, de elektronen gedragen zich collectief vanwege hun sterke correlatie, het vormen van een singlet (een collectief van verschillende deeltjes die zich gedragen als een enkel deeltje), die kan worden weergegeven als de koppeling van het gelokaliseerde magnetische moment van het zeldzame-aarde-ion met het geleidingselektron eromheen. Dit quasi-deeltje kan massa's bereiken tot duizenden keren de massa van een vrij elektron.

In het hier beschreven onderzoek het hemd werd twee keer gebroken in twee magnetische orden:een dipolaire, als gevolg van het magnetische moment van het quasi-deeltje, en de andere quadrupolaire, als gevolg van de interactie tussen zijn elektronische orbitalen.

Het experiment werd uitgevoerd met het zware fermion Ce3Pd20Si6, een verbinding van cerium (Ce), palladium (Pd) en silicium (Si). Larrea zal het onderzoek voortzetten met steun van de São Paulo Research Foundation via het project "Een onderzoek naar topologische en exotische kwantumtoestanden onder extreme omstandigheden."

"Het uitgangspunt voor deze overgangen zijn de sterke correlaties tussen elektronen en bepaalde materialen, die ons in staat stellen dit soort toestandsveranderingen te begrijpen, ' zei Larrea.

"Verschillende soorten collectieve interactie kunnen elektronen beïnvloeden. Een mogelijke toestand is wat we 'vreemd metaal' noemen." Bij zware fermionen, elektronentransport is analoog aan dat van gewone metalen, maar de elektronen zijn sterk gecorreleerd en gedragen zich samen alsof ze een enkel quasi-deeltje vormen, die de lading vervoert. Dit is niet wat er gebeurt in een kwantumfaseovergang, dus de toestand wordt 'vreemd' genoemd. Wat we experimenteel hebben waargenomen, is dat fysieke eigenschappen zoals elektrische weerstand zich heel anders gedragen dan klassiek elektronentransport in metalen.'

Het fenomeen doet zich voor bij extreem lage temperaturen, zeer dicht bij het absolute nulpunt. Als de temperatuur zo laag wordt, thermodynamische fluctuaties verdwijnen praktisch, en kwantumfluctuaties worden waargenomen, die het "medium" vormen waarin interacties tussen elektronen plaatsvinden.

"Tot de publicatie van onze studie, de meeste experimenten van dit soort waren gericht op materialen waarin elektronencorrelatie leidt tot wat bekend staat als gelijktijdig rondtrekkend en gelokaliseerd elektronenmagnetisme. Deze materialen behoren tot de groep van zeldzame aarden en omvatten zware fermionen:'fermionen' omdat de elektronen fractionele spin hebben en Fermi-Dirac-statistieken gehoorzamen; 'zwaar' omdat ze correleren met een quasi-deeltje met een grote effectieve massa, ' zei Larrea.

"Deze materialen hebben ook een magnetisch moment, dus naast een ladingdragend quasi-deeltje, ze zijn ook geassocieerd met een quasi-deeltje met een magnetisch moment afgeschermd of afgeschermd door de geleidingselektronen. Elk afgeschermd magnetisch moment kan worden gekoppeld aan zijn buurman in het kristalrooster, het produceren van een magnetische orde door het materiaal. In het geval van Ce3Pd20Si6, deze orde is van de anti-ferromagnetische soort, wat betekent dat de magnetische momenten in het rooster anti-parallel gekoppeld zijn. Op het kwantumkritische punt, deze magnetische orde kan worden onderdrukt zonder de invloed van een thermodynamische regelparameter maar door een magnetisch veld aan te leggen. Het Kondo-singlet gaat kapot, en het elektron dat aan deze magnetische orde was gekoppeld, scheidt zich eenvoudig af."

Dit is niet in tegenspraak met de fundamenten van de kwantummechanica, maar het is heel anders dan wat wordt beschreven in de basisboeken van natuurkunde. Omdat het magnetische moment is gedefinieerd ten opzichte van de spin, de onderdrukking van de magnetische orde creëert een situatie waarin de elektronen geen spin lijken te hebben.

"Dit kwantumkritieke punt, gebaseerd op een magnetische ordening, was eerder gerapporteerd in andere artikelen, Larrea zei. "Het verschil in ons geval was dat naast de dipolaire magnetische orde, het materiaal vertoonde ook een quadrupolaire magnetische orde gegenereerd door de orbitalen van de elektronen. Ons fasediagram, wat bijna een grafische samenvatting van de studie is, toont daarom twee kwantumkritische punten:een waarin de dipolaire orde verstoord is, en de andere waarin de quadrupolaire orde is verbroken."

Volgens Larrea, afgezien van deze ontdekking, de resultaten van het onderzoek zijn ook belangrijk voor zover ze bijdragen aan het begrijpen van andere onopgeloste problemen, zoals hoe elektronen collectief zijn georganiseerd om supergeleiding te produceren. "Er is een collectieve bestelling nodig om langeafstandstransport te produceren, " zei hij. "Bepaalde soorten materiaal met sterke correlaties tussen elektronen kunnen hiervoor zorgen. We weten nu dat deze sterke correlaties kunnen worden onderdrukt om de vorming van nieuwe toestanden met meetbare fysieke eigenschappen te bevorderen, zelfs bij temperaturen die verschillen van het absolute nulpunt."

De volgende stap is om het onderzoek naar veranderingen in elektronencorrelaties uit te breiden met een andere regelparameter – druk – zodat het in de toekomst mogelijk wordt om deze kennis technologisch te gebruiken in gebieden zoals quantum computing.