Kvantovergang får elektroner til at opføre sig som om de mangler spin

De fælles faseovergange er dem, der opstår som en funktion af temperaturvariation. Is ændrer fase til at blive flydende vand ved 0 grader Celsius. Flydende vand ændrer fase til vanddamp ved 100 grader Celsius. Tilsvarende magnetiske materialer bliver ikke -magnetiske ved kritiske temperaturer. Imidlertid, der er også faseovergange, der ikke afhænger af temperaturen. De forekommer i nærheden af ​​absolut nul [-273,15 grader Celsius] og er forbundet med kvantesvingninger.

En undersøgelse med eksperimenter under ekstreme forhold, især ultra-lave temperaturer og intense magnetfelter, og ledsaget af teoretisk fortolkning af de eksperimentelle resultater udforskede denne type situationer og undersøgte det kvantekritiske punkt manifesteret i en meget usædvanlig overgang.

Italiensk forsker Valentina Martelli og peruvianske Julio Larrea, begge professorer ved University of São Paulo Physics Institute (IF-USP) i Brasilien, deltog i undersøgelsen, som udgives i Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ).

Den eksperimentelle del, ledet af professor Silke Paschen, blev udført i laboratorierne ved Wiens teknologiske universitet (TUW) i Østrig. Det teoretiske arbejde blev udført af en gruppe ledet af Qimiao Si, Professor i fysik og astronomi ved Rice University i USA.

"Vi fandt og fortolkede beviser for to på hinanden følgende kvantekritiske punkter forbundet med en dobbelt nedbrydning af Kondo -effekten, "Fortalte Larrea.

Opkaldt efter den japanske fysiker Jun Kondo (født 1930), Kondo-effekten forklarer dannelsen af ​​tunge fermioner i metalforbindelser baseret på sjældne jordarter. I disse forbindelser, elektronerne opfører sig kollektivt på grund af deres stærke sammenhæng, danner en singlet (et kollektiv af forskellige partikler, der opfører sig som en enkelt partikel), som kan repræsenteres som koblingen af ​​det lokaliserede magnetiske moment af sjælden-jord-ion med ledningselektronet omkring det. Denne kvasi-partikel kan nå masser op til tusinder af gange massen af ​​en fri elektron.

I undersøgelsen beskrevet her, singleten blev brudt to gange i to magnetiske ordrer:en dipolar, som følge af kvasi-partikelens magnetiske moment, og den anden firpolar, som følge af interaktionen mellem dets elektroniske orbitaler.

Forsøget blev udført med den tunge fermion Ce3Pd20Si6, en forbindelse af cerium (Ce), palladium (Pd) og silicium (Si). Larrea er indstillet til at fortsætte undersøgelserne med støtte fra São Paulo Research Foundation via projektet "En undersøgelse af topologiske og eksotiske kvantetilstande under ekstreme forhold."

"Udgangspunktet for disse overgange er de stærke sammenhænge mellem elektroner og visse materialer, som gør os i stand til at forstå denne form for statsændring, "Sagde Larrea.

"Forskellige former for kollektiv interaktion kan påvirke elektroner. En mulig tilstand er, hvad vi kalder" mærkeligt metal. " I tunge fermioner, elektrontransport er analog med almindelige metaller, men elektronerne er stærkt korrelerede og opfører sig kollektivt, som om de dannede en enkelt kvasi-partikel, som transporterer afgiften. Dette er ikke, hvad der sker i en kvantefaseovergang, så staten kaldes 'mærkelig. "Det vi observerede eksperimentelt er, at fysiske egenskaber som elektrisk modstand opfører sig ganske anderledes end klassisk elektrontransport i metaller."

Fænomenet forekommer ved ekstremt lave temperaturer meget tæt på absolut nul. Når temperaturen falder så lavt, termodynamiske udsving næsten forsvinder, og kvantesvingninger observeres, udgør det "medium", hvor interaktioner mellem elektroner finder sted.

"Indtil offentliggørelsen af ​​vores undersøgelse, de fleste eksperimenter af denne art havde fokuseret på materialer, hvor elektronkorrelation fører til det, der er kendt som samtidig omrejsende og lokaliseret elektronmagnetisme. Disse materialer tilhører gruppen af ​​sjældne jordarter og inkluderer tunge fermioner:'fermioner', fordi elektronerne har fraktionær spin og adlyder Fermi-Dirac-statistik; 'tunge', fordi de korrelerer med en kvasi-partikel med stor effektiv masse, "Sagde Larrea.

"Disse materialer har også et magnetisk moment, så ud over en ladningsbærende kvasi-partikel, de er også forbundet med en kvasi-partikel med et magnetisk moment afskærmet eller afskærmet af ledningselektronerne. Hvert screenet magnetisk moment kan kobles til sin nabo i krystalgitteret, producerer en magnetisk orden i hele materialet. I tilfælde af Ce3Pd20Si6, denne rækkefølge er af den anti-ferromagnetiske art, hvilket betyder, at de magnetiske momenter i gitteret er koblet på en anti-parallel måde. På det kvantekritiske punkt, denne magnetiske orden kan undertrykkes uden påvirkning af en termodynamisk kontrolparameter, men ved at anvende et magnetfelt. Kondo singleten bryder sammen, og elektronen, der var koblet til denne magnetiske orden, adskiller sig simpelthen. "

Dette modsiger ikke det grundlæggende i kvantemekanikken, men det er meget forskelligt fra det, der er beskrevet i fysiske grundbøger. Fordi det magnetiske moment er defineret i forhold til spin, undertrykkelsen af ​​den magnetiske orden skaber en situation, hvor elektronerne ser ud til at mangle spin.

"Dette kvantekritiske punkt baseret på en magnetisk ordre var tidligere blevet rapporteret i andre artikler, "Larrea sagde." Forskellen i vores tilfælde var, at udover den dipolære magnetiske orden, materialet udviste også en firpolar magnetisk orden genereret af elektronernes orbitaler. Vores fasediagram, hvilket næsten er et grafisk resumé af undersøgelsen, viser derfor to kvantekritiske punkter:et, hvor den dipolare rækkefølge forstyrres, og den anden, hvor den firrupolære rækkefølge er brudt. "

Ifølge Larrea, bortset fra denne opdagelse, resultaterne af undersøgelsen er også vigtige, for så vidt de bidrager til en forståelse af andre uløste problemer, såsom hvordan elektroner er samlet organiseret til at producere superledning. "En kollektiv ordre er nødvendig for at producere langtrækkende transport, "sagde han." Visse slags materialer med stærke korrelationer mellem elektroner kan give dette. Vi ved nu, at disse stærke korrelationer kan undertrykkes for at favorisere dannelsen af ​​nye tilstande med målbare fysiske egenskaber, selv ved temperaturer, der er forskellige fra absolut nul. "

Det næste trin er at udvide undersøgelsen af ​​ændringer i elektronkorrelationer ved hjælp af en anden kontrolparameter - tryk - så det i fremtiden vil være muligt at gøre teknologisk brug af denne viden inden for områder som f.eks. Quantum computing.