Det er aldrig for koldt til kvantum

De særegenheder, der demonstreres ved kvantekritiske punkter ved absolut nul, er fortsat et af videnskabens store uløste mysterier.

Normalt, der skal ændres i temperatur for at se en faseovergang:en væske bliver kold, det fryser; et metal varmes op, den mister sine magnetiske egenskaber. Men der er nogle faseovergange, hvor temperaturen ikke kan ændre sig, fordi de forekommer lige ved absolut nul. De kvantekritiske punkter, hvor sådanne overgange finder sted, har været genstand for intensiv forskning i mange år, alligevel er de stadig enormt forvirrende for kvantefysikere.

Indtil nu, for eksempel, der har ikke været nogen omfattende teoretisk model for den høje temperatur superledningsevne, der formodes at være tæt forbundet med kvantekritiske punkter-selvom en sådan model kunne generere en masse nyttige tekniske applikationer. Thomas Schäfer, Karsten Held og Alessandro Toschi fra Institute of Solid State Physics på TU Wien arbejder på at få en bedre forståelse af disse fænomener, offentliggøre deres nye ideer om dette felt i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Udsving:hvis det kan ryste, det vil ryste

"Termiske udsving er normalt ansvarlige for faseovergange, "forklarer Thomas Schäfer." Individuelle partikler begynder at ryste eller rotere, for eksempel, helt tilfældigt. Jo højere temperatur, jo mere markante disse udsving bliver, som kan føre til en faseovergang - hvilket får et faststof til at smelte, for eksempel."

Når du reducerer temperaturen, partiklerne bevæger sig mindre og mindre rundt, indtil de når absolut nul, på hvilket tidspunkt skulle de slet ikke længere bevæge sig. Så, man kunne antage, at total ro vil være genoprettet ved absolut nul, da intet kan ændre sig mere ... men det er ikke helt så simpelt som det.

"Kvantfysik siger, at det er umuligt for en partikel at være helt i ro på et bestemt sted, "siger Alessandro Toschi." Heisenbergs usikkerhedsprincip fortæller os, at position og momentum ikke kan fastslås med total præcision. Derfor, en partikels position og momentum kan stadig ændre sig ved absolut nul, selvom der ikke længere er klassiske termiske udsving. Disse ændringer er kendt som kvanteudsving. "

Så, når det er for koldt til klassiske ryster, kvantefysik sikrer, at der stadig kan ske fysisk interessante ting. Og det er netop derfor faseovergange ved absolut nul er så uendeligt fascinerende.

Momentum og energi

"Det afgørende for partiklernes adfærd er, hvordan deres momentum relaterer sig til energi, "siger Thomas Schäfer. For en bold kastet gennem luften, korrelationen er enkel:jo større momentum, jo større kinetisk energi. Energien stiger som momentum. Men for partikler i et fast stof, dette forhold er meget mere kompliceret, og kan se meget anderledes ud, afhængigt af den retning, hvor partiklen bevæger sig. Derfor, denne forbindelse er modelleret ved hjælp af 'Fermi -overflader', som er i stand til at antage komplekse tredimensionelle former.

"Indtil nu, man mente, at formen på disse Fermi -overflader ikke var signifikant med hensyn til kvantefaseovergange, "siger Karsten Held." Vi har kunnet vise, at det ikke er tilfældet. Kun hvis du tager formen i betragtning, kan du nøjagtigt beregne visse fysiske effekter - f.eks. den måde, hvorpå et materiales magnetiske egenskaber vil ændre sig, når det nærmer sig absolut nul. "

Nu håber forskerne at kunne bruge dette nye værktøj til bedre at beskrive kvantekritiske materialer - og måske belyse nogle af de store mysterier, som materialevidenskaben har arbejdet så hårdt på at løse i så mange år.