Klassieke faseovergangen worden bepaald door temperatuur. Een van de meest bekende voorbeelden zijn de faseovergangen van water van vast naar vloeibaar naar gas. Echter, andere parameters bepalen faseovergangen wanneer de temperatuur het absolute nulpunt nadert, inclusief druk, het magnetische veld, en doping, die wanorde introduceren in de moleculaire structuur van een materiaal.

Dit onderwerp wordt vanuit theoretisch oogpunt behandeld in het artikel "Onthulling van de fysica van de onderlinge interacties in paramagneten, " gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Het artikel is het resultaat van discussies in het laboratorium in het kader van het promotieonderzoek van de twee hoofdauteurs, Lucas Squillante en Isys Mello, begeleid door de laatste auteur, Mariano de Souza, een professor aan de afdeling Natuurkunde van het Instituut voor Geowetenschappen en Exacte Wetenschappen (IGCE-UNESP) van de São Paulo State University in Rio Claro, Brazilië.

De andere co-auteurs zijn Roberto Eugenio Lagos Mônaco en Antonio Carlos Seridonio, ook professoren aan UNESP, en Harry Eugene Stanley, een professor aan de Boston University (VS).

De studie werd ondersteund door São Paulo Research Foundation-FAPESP via een subsidie ​​toegekend aan het project "Exploring thermodynamic and transport properties of sterk gecorreleerde elektronensystemen, ’ waarvoor Souza de hoofdonderzoeker was.

"In paramagnetische materialen, er is altijd een subtiele veel-lichaamsbijdrage aan de energie van het systeem. Deze bijdrage kan worden beschouwd als een klein effectief lokaal magnetisch veld. Het wordt meestal over het hoofd gezien, gezien de zeer kleine hoeveelheid energie die ermee gepaard gaat in vergelijking met de energie die gepaard gaat met thermische fluctuaties of externe magnetische velden.

Hoe dan ook, wanneer de temperatuur en het externe magnetische veld nul naderen, zulke bijdragen van vele lichamen worden aanzienlijk, ' vertelde Souza.

De studie toonde aan dat materie altijd de neiging heeft om bij lage temperaturen te worden geordend vanwege interacties tussen veel lichamen. Het niet-interagerende spingasmodel komt daarom niet voor in de echte wereld omdat een veel-lichamen-interactie tussen de spins in het systeem orde zou opleggen.

"We ontdekten dat in echte materialen, er bestaat niet zoiets als een kritiek punt waarop een kwantumfase-overgang plaatsvindt in een echt nulveld vanwege de persistentie van het resterende magnetische veld dat wordt gecreëerd door de interactie met veel lichamen. In een bredere context, ideale Bose-Einstein condensatie kan niet worden verkregen vanwege deze interactie, ' zei Souz.

Een Bose-Einstein condensaat, vaak aangeduid als de "vijfde toestand van de materie" (de andere zijn vast, vloeistof, gas en plasma), is een groep atomen die is afgekoeld tot op een haar van het absolute nulpunt. Als ze die temperatuur hebben bereikt, de atomen hebben geen vrije energie om ten opzichte van elkaar te bewegen en in dezelfde kwantumtoestanden te vallen, gedraagt ​​zich als een enkel deeltje.

Bose-Einstein condensaten werden voor het eerst voorspeld en theoretisch berekend door Satyendra Nath Bose (1894-1974) en Albert Einstein (1879-1955) in 1924, maar het was pas in 1995 dat Eric A. Cornell, Carl E. Wieman en Wolfgang Ketterle slaagden erin om er een te maken met ultrakoud rubidiumgas, waarvoor alle drie de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2001 kregen.

"Wat onze studie aantoonde, was dat hoewel experimenteel een niet-ideaal Bose-Einstein-condensaat kan worden verkregen, de ideale conditie voor condensatie kan niet worden bereikt omdat het veronderstelt dat deeltjes elkaar niet waarnemen of met elkaar in wisselwerking staan, terwijl resterende interactie altijd optreedt, zelfs in de buurt van het absolute nulpunt, ' zei Souz.

"Een andere ontdekking was dat materie adiabatisch kan worden gemagnetiseerd [zonder warmteverlies of winst] alleen via deze wederzijdse interacties."