in de natuurkunde, dingen bestaan ​​in fasen, zoals solide, vloeibare en gastoestanden. Als iets van de ene fase naar de andere gaat, we praten over een faseovergang, zoals water dat in stoom kookt, overgaan van vloeistof naar gas.

In onze keukens, water kookt bij 100 graden C, en de dichtheid verandert drastisch, een discontinue sprong maken van vloeistof naar gas. Echter, als we de druk opvoeren, het kookpunt van water stijgt ook, tot een druk van 221 atmosfeer waar het kookt bij 374 graden C. Hier, er gebeurt iets vreemds:de vloeistof en het gas versmelten tot één fase. Boven dit "kritieke punt, " er is helemaal geen faseovergang meer, en dus door de druk te beheersen, water kan van vloeistof naar gas worden gestuurd zonder er ooit een te passeren.

Is er een kwantumversie van een waterachtige faseovergang? "De huidige richtingen in kwantummagnetisme en spintronica vereisen zeer spin-anisotrope interacties om de fysica van topologische fasen en beschermde qubits te produceren, maar deze interacties begunstigen ook discontinue kwantumfaseovergangen, ", zegt professor Henrik Rønnow van EPFL's School of Basic Sciences.

Eerdere studies waren gericht op soepele, continue faseovergangen in kwantummagnetische materialen. Nutsvoorzieningen, in een gezamenlijk experimenteel en theoretisch project onder leiding van Rønnow en professor Frédéric Mila, ook aan de School of Basic Sciences, natuurkundigen van EPFL en het Paul Scherrer Institute hebben een discontinue faseovergang bestudeerd om het allereerste kritieke punt in een kwantummagneet waar te nemen, vergelijkbaar met die van water. Het werk is nu gepubliceerd in Natuur .

De wetenschappers gebruikten een kwantum antiferromagneet, in het veld bekend als SCBO (van de chemische samenstelling:SrCu ₂ (BO ₃ ) ₂ ). Quantum antiferromagneten zijn vooral handig om te begrijpen hoe de kwantumaspecten van de structuur van een materiaal de algemene eigenschappen beïnvloeden, bijvoorbeeld hoe de spins van zijn elektronen op elkaar inwerken om zijn magnetische eigenschappen te geven. SCBO is ook een "gefrustreerde" magneet, wat betekent dat zijn elektronenspins niet kunnen stabiliseren in een ordelijke structuur, en in plaats daarvan nemen ze een aantal unieke kwantum fluctuerende toestanden aan.

Bij een ingewikkeld experiment de onderzoekers controleerden zowel de druk als het magnetische veld dat werd toegepast op milligramstukjes SCBO. "Hierdoor konden we rondom de discontinue kwantumfase-overgang kijken en op die manier vonden we de fysica van kritische punten in een puur spinsysteem, " zegt Ronnow.

Het team voerde zeer nauwkeurige metingen uit van de soortelijke warmte van SCBO, die zijn bereidheid toonde om energie te absorberen. Bijvoorbeeld, water absorbeert slechts kleine hoeveelheden energie bij -10 graden C, maar bij 0 graden C en 100 graden C, het kan enorme hoeveelheden opnemen omdat elk molecuul over de overgangen van ijs naar vloeistof en vloeistof naar gas wordt gedreven. Net als water, de druk-temperatuurrelatie van SCBO vormt een fasediagram dat een discontinue overgangslijn toont die twee kwantummagnetische fasen scheidt, waarbij de lijn eindigt op een kritiek punt.

"Nutsvoorzieningen, wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd, het probleem wordt rijker dan water, " zegt Frédéric Mila. "Geen van beide magnetische fasen wordt sterk beïnvloed door een klein veld, dus de lijn wordt een muur van discontinuïteiten in een driedimensionaal fasediagram - maar dan wordt een van de fasen onstabiel en helpt het veld hem naar een derde fase te duwen."

Om dit macroscopische kwantumgedrag te verklaren, de onderzoekers werkten samen met verschillende collega's, in het bijzonder professor Philippe Corboz aan de Universiteit van Amsterdam, die krachtige nieuwe computergebaseerde technieken hebben ontwikkeld.

"Eerder, het was niet mogelijk om de eigenschappen van 'gefrustreerde' kwantummagneten te berekenen in een realistisch twee- of driedimensionaal model, "zegt Mila. "Dus SCBO biedt een goed getimed voorbeeld waar de nieuwe numerieke methoden de realiteit ontmoeten om een ​​kwantitatieve verklaring te geven van een fenomeen dat nieuw is voor kwantummagnetisme."

Henrik Rønnow besluit:"Vooruitkijkend, de volgende generatie functionele kwantummaterialen zal over discontinue faseovergangen worden geschakeld, dus een goed begrip van hun thermische eigenschappen zal zeker het kritieke punt omvatten, waarvan de klassieke versie al twee eeuwen bekend is bij de wetenschap."