Zuivere kwantumsystemen kunnen faseovergangen ondergaan analoog aan de klassieke faseovergang tussen de vloeibare en gasvormige toestand van water. Op kwantumniveau echter, het deeltje spint in toestanden die voortkomen uit faseovergangen vertonen collectief verstrengeld gedrag. Deze onverwachte observatie biedt een nieuwe weg voor de productie van materialen met topologische eigenschappen die nuttig zijn in spintronica-toepassingen en kwantumcomputers.

De ontdekking werd gedaan door een internationale samenwerking onder leiding van Julio Larrea, een professor aan het Physics Institute (IF-USP) van de Universiteit van São Paulo in Brazilië. Larrea is eerste auteur van een artikel over de studie gepubliceerd in Natuur .

"We hebben het eerste experimentele bewijs verkregen van een eerste-orde kwantumfaseovergang in een quasi-tweedimensionaal systeem dat volledig uit spins bestaat. Het was een baanbrekende studie in termen van zowel experimentele ontwikkeling als theoretische interpretatie, ' zei Larrea.

Om de betekenis van deze ontdekking te begrijpen, het zal helpen om de klassieke faseovergang te onderzoeken, die kan worden geïllustreerd door de verandering in de toestand van het water, en zijn kwantumanaloog, geïllustreerd door de Mott metaal-isolator overgang.

"De verandering in de toestand van het water, die optreedt bij 100 ° C onder standaard atmosferische druk, is wat we een eerste-orde transitie noemen. Het wordt gekenmerkt door een discontinue sprong in molecuuldichtheid. Met andere woorden, het aantal watermoleculen per volume-eenheid varieert drastisch tussen de ene toestand en de andere, Larrea zei. "Deze eerste-orde discontinue overgang evolueert in overeenstemming met druk en temperatuur totdat het volledig wordt onderdrukt op het zogenaamde kritieke punt van water, die optreedt bij 374 °C en 221 bar. Op het kritieke punt, de overgang is van de tweede orde, d.w.z. continu."

In de buurt van het kritieke punt, de eigenschappen van water gedragen zich abnormaal, omdat de dichtheidsfluctuaties oneindig gecorreleerd zijn op de atoomlengteschaal. Als resultaat, het materiaal vertoont een unieke toestand die zowel van een gas als van een vloeistof verschilt (zie figuur 1).

"In kwantummaterie, de Mott metaal-isolator overgang is een zeldzaam voorbeeld van een eerste-orde overgang. In tegenstelling tot gewone metalen en isolatoren, die vrije elektronen hebben die geen interactie hebben, een Mott-toestand omvat een sterke interactie tussen elektronenladingen, collectief gedrag configureren, Larrea legde uit. "De energieschalen van deze interacties zijn erg laag, dus een eerste-orde kwantumfaseovergang tussen een metaal en een isolator kan plaatsvinden bij het absolute nulpunt, dat is de laagst mogelijke temperatuur. De interactie tussen ladingen varieert met temperatuur en druk totdat deze op het kritieke punt wordt onderdrukt. Naarmate het kritieke punt nadert, volume ladingsdichtheid, dat is de hoeveelheid lading per volume-eenheid, zo'n abrupte verandering ondergaat dat het nieuwe toestanden van materie zoals supergeleiding kan veroorzaken."

In de twee genoemde voorbeelden de verschijnselen omvatten massieve deeltjes zoals watermoleculen en elektronen. De vraag die de onderzoekers stelden was of het concept van faseovergang kan worden uitgebreid naar massaloze kwantumsystemen, zoals een systeem dat uitsluitend uit spins bestaat (begrepen als een kwantummanifestatie van materie geassocieerd met magnetische toestanden). Een dergelijke situatie was nog nooit eerder waargenomen.

"Het materiaal dat we gebruikten was een gefrustreerde kwantum antiferromagneet SrCu ₂ (BO ₃ ) ₂ , Larrea zei. "We hebben de soortelijke warmte van kleine monsters gemeten onder gelijktijdig extreme omstandigheden van temperatuur [tot 0,1 kelvin], druk [tot 27 kilobar] en magnetisch veld [tot 9 tesla]. Specifieke warmte is een fysieke eigenschap die ons een maat geeft voor de interne energie in het systeem, en hiervan, we kunnen verschillende soorten geordende of wanordelijke kwantumtoestanden afleiden, en mogelijke elektronische toestanden of verstrengelde spintoestanden."

Het verkrijgen van deze metingen met de precisie die nodig is om gecorreleerde kwantumtoestanden te onthullen, met behulp van monsters die zijn onderworpen aan extreem lage temperaturen, hoge drukken en sterke magnetische velden, was een formidabele experimentele uitdaging, volgens Larrea. De experimenten werden uitgevoerd in Lausanne, Zwitserland, aan het Laboratorium voor Quantum Magnetisme van de Federale Polytechnische School van Lausanne (LQM-EPFL), onder leiding van Henrik Rønnow. De precisie van de metingen motiveerde de theoretische medewerkers, onder leiding van Frédéric Mila (EPFL) en Philippe Corboz (Universiteit van Amsterdam), state-of-the-art computationele methoden te ontwikkelen waarmee de verschillende waargenomen anomalieën kunnen worden geïnterpreteerd.

"Onze resultaten toonden onverwachte manifestaties van kwantumfaseovergangen in pure spinsystemen, "Zei Larrea. "Eerst, we hebben een kwantumfaseovergang waargenomen tussen twee verschillende soorten verstrengelde spintoestanden, de dimeertoestand [spins gecorreleerd op twee atoomplaatsen] en de plaquettetoestand [spins gecorreleerd op vier atoomplaatsen]. Deze eerste-orde overgang eindigt op het kritieke punt, bij een temperatuur van 3,3 kelvin en een druk van 20 kilobar. Hoewel de kritische punten van water en de SrCu ₂ (BO ₃ ) ₂ spin-systeem hebben vergelijkbare kenmerken, de toestanden die ontstaan ​​in de buurt van het kritieke punt van het spinsysteem voldoen aan een andere beschrijving van de natuurkunde, van het Ising-type." De term Ising verwijst naar een model van statistische mechanica genoemd naar de Duitse natuurkundige Ernst Ising (1900-98).

"We hebben ook waargenomen dat dit kritieke punt een discontinuïteit heeft in de dichtheid van magnetische deeltjes, met tripletten of toestanden gecorreleerd in verschillende configuraties van spinoriëntatie, wat leidt tot het ontstaan ​​van een zuiver kwantum antiferromagnetische toestand, " zei Larrea (zie figuur 2).

De volgende stap voor Larrea is om meer te weten te komen over de kriticiteit en verstrengelde spintoestanden die zich voordoen in de buurt van het kritieke punt, de aard van de discontinue en continue kwantumfaseovergangen, en de energieschalen die de interacties en correlaties tussen elektronenspins en ladingen vertegenwoordigen die leiden tot kwantumtoestanden zoals supergeleiding. "Hiervoor, we zijn van plan een studie uit te voeren met drukken rond het kritieke punt en hogere drukken, " zei hij. Een nieuwe faciliteit, het Laboratorium voor Kwantummaterie onder Extreme Omstandigheden (LQMEC), wordt hiervoor opgericht in samenwerking met Valentina Martelli, een professor in de afdeling Experimentele Fysica van IF-USP.