Vand og kvantemagneter deler kritisk fysik

I fysik, ting eksisterer i faser, såsom fast, væske- og gastilstande. Når noget går fra en fase til en anden, vi taler om en faseovergang - som vand, der koger til damp, skifte fra væske til gas.

I vores køkkener, vand koger ved 100 grader C, og dens tæthed ændrer sig dramatisk, laver et diskontinuerligt spring fra væske til gas. Imidlertid, hvis vi skruer op for trykket, vands kogepunkt stiger også, indtil et tryk på 221 atmosfærer, hvor det koger ved 374 grader C. Her, der sker noget mærkeligt:​​væsken og gassen smelter sammen i en enkelt fase. Over dette "kritiske punkt, "der er slet ikke længere en faseovergang, og så ved at kontrollere dets tryk, vand kan styres fra væske til gas uden nogensinde at krydse en.

Findes der en kvanteversion af en vandlignende faseovergang? "De nuværende retninger inden for kvantemagnetisme og spintronik kræver stærkt spin-anisotropiske interaktioner for at producere fysikken af ​​topologiske faser og beskyttede qubits, men disse interaktioner favoriserer også diskontinuerlige kvantefaseovergange, " siger professor Henrik Rønnow ved EPFL's School of Basic Sciences.

Tidligere undersøgelser har fokuseret på glat, kontinuerlige faseovergange i kvantemagnetiske materialer. Nu, i et fælles eksperimentelt og teoretisk projekt ledet af Rønnow og professor Frédéric Mila, også på Grundskolen, fysikere ved EPFL og Paul Scherrer Institute har studeret en diskontinuerlig faseovergang for at observere det første kritiske punkt nogensinde i en kvantemagnet, ligner vandets. Værket er nu udgivet i Natur .

Forskerne brugte en kvante antiferromagnet, kendt på området som SCBO (fra dets kemiske sammensætning:SrCu ₂ (BO ₃ ) ₂ ). Kvante-antiferromagneter er især nyttige til at forstå, hvordan kvanteaspekterne af et materiales struktur påvirker dets overordnede egenskaber - f.eks. hvordan spins af dets elektroner interagerer for at give dets magnetiske egenskaber. SCBO er også en "frustreret" magnet, hvilket betyder, at dets elektronspin ikke kan stabilisere sig i en ordnet struktur, og i stedet vedtager de nogle unikke kvantefluktuerende tilstande.

I et komplekst eksperiment, forskerne kontrollerede både trykket og magnetfeltet anvendt på milligramstykker SCBO. "Dette gjorde det muligt for os at se hele vejen rundt om den diskontinuerlige kvantefaseovergang, og på den måde fandt vi kritisk-punkts fysik i et rent spin-system, siger Rønnow.

Holdet udførte højpræcisionsmålinger af den specifikke varme fra SCBO, som viste sin parathed til at absorbere energi. For eksempel, vand absorberer kun små mængder energi ved -10 grader C, men ved 0 grader C og 100 grader C, det kan fylde enorme mængder, da hvert molekyle drives hen over overgangene fra is til væske og væske til gas. Ligesom vand, tryk-temperatur forholdet af SCBO danner et fasediagram, der viser en diskontinuerlig overgangslinje, der adskiller to kvantemagnetiske faser, med linjen ender på et kritisk punkt.

"Nu, når et magnetfelt påføres, problemet bliver rigere end vand, " siger Frédéric Mila. "Ingen af ​​de magnetiske faser er stærkt påvirket af et lille felt, så linjen bliver en mur af diskontinuiteter i et tredimensionelt fasediagram - men så bliver en af ​​faserne ustabil, og feltet hjælper med at skubbe den mod en tredje fase."

For at forklare denne makroskopiske kvanteadfærd, forskerne slog sig sammen med flere kolleger, især professor Philippe Corboz ved universitetet i Amsterdam, som har udviklet kraftfulde nye computerbaserede teknikker.

"Tidligere det var ikke muligt at beregne egenskaberne af 'frustrerede' kvantemagneter i en realistisk to- eller tredimensionel model, " siger Mila. "Så SCBO giver et godt timet eksempel, hvor de nye numeriske metoder møder virkeligheden for at give en kvantitativ forklaring på et nyt fænomen inden for kvantemagnetisme."

Henrik Rønnow slutter:"Ser fremad, den næste generation af funktionelle kvantematerialer vil blive skiftet på tværs af diskontinuerlige faseovergange, så en ordentlig forståelse af deres termiske egenskaber vil helt sikkert omfatte det kritiske punkt, hvis klassiske version har været kendt af videnskaben i to århundreder."