Kvantfaseovergang opdaget i et kvasi-2D-system, der udelukkende består af spins

Rene kvantesystemer kan gennemgå faseovergange analogt med den klassiske faseovergang mellem vandets flydende og gasformige tilstand. På kvanteniveau, imidlertid, partiklen spinder i tilstande, der opstår fra faseovergange, viser kollektiv sammenfiltret adfærd. Denne uventede observation tilbyder en ny vej til produktion af materialer med topologiske egenskaber, der er nyttige i spintronikapplikationer og kvanteberegning.

Opdagelsen blev gjort ved et internationalt samarbejde ledet af Julio Larrea, en professor ved University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP) i Brasilien. Larrea er første forfatter til en artikel om undersøgelsen, der blev offentliggjort i Natur .

"Vi opnåede det første eksperimentelle bevis på en førsteordens kvantefaseovergang i et kvasi-to-dimensionelt system, der udelukkende består af spins. Det var et banebrydende studie i form af både eksperimentel udvikling og teoretisk fortolkning, " sagde Larrea.

For at forstå betydningen af ​​denne opdagelse, det vil hjælpe med at undersøge den klassiske faseovergang, hvilket kan eksemplificeres ved ændringen i vandets tilstand, og dens kvanteanalog, eksemplificeret ved Mott metal-isolator overgangen.

"Ændringen i vandets tilstand, som forekommer ved 100 °C under standardatmosfærisk tryk, er det, vi kalder en førsteordens overgang. Det er karakteriseret ved et diskontinuerligt spring i molekylets tæthed. Med andre ord, antallet af vandmolekyler pr. volumenhed varierer drastisk mellem den ene tilstand og den anden, " sagde Larrea. "Denne førsteordens diskontinuerlige overgang udvikler sig i overensstemmelse med tryk og temperatur, indtil den er fuldstændig undertrykt ved det såkaldte kritiske punkt af vand, som forekommer ved 374 °C og 221 bar. På det kritiske punkt, overgangen er andenordens, dvs kontinuerligt."

I nærheden af ​​det kritiske punkt, vandets egenskaber opfører sig unormalt, fordi tæthedsudsvingene er uendeligt korrelerede på den atomare længdeskala. Som resultat, materialet manifesterer en unik tilstand, der adskiller sig både fra en gas og en væske (se figur 1).

"I kvantemateriale, Mott metal-isolator overgangen er et sjældent eksempel på en første-ordens overgang. I modsætning til almindelige metaller og isolatorer, som har frie elektroner, der ikke interagerer, en Mott-tilstand involverer stærk interaktion mellem elektronladninger, konfigurering af kollektiv adfærd, "Forklarede Larrea." Energivægten for disse interaktioner er meget lave, så en førsteordens kvantefaseovergang mellem et metal og en isolator kan ske ved det absolutte nul, som er den lavest mulige temperatur. Samspillet mellem ladninger varierer med temperatur og tryk, indtil det undertrykkes på det kritiske punkt. Når det kritiske punkt nærmer sig, volumen ladningstæthed, som er ladningsmængden pr. volumenhed, gennemgår en så brat forandring, at den kan fremkalde nye stoftilstande, såsom superledning."

I de to nævnte eksempler, fænomenerne involverer massive partikler som vandmolekyler og elektroner. Spørgsmålet fra forskerne var, om begrebet faseovergang kunne udvides til masseløse kvantesystemer, såsom et system, der udelukkende består af spins (forstået som en kvantemanifestation af stof forbundet med magnetiske tilstande). En situation af denne art var aldrig blevet observeret før.

"Det materiale, vi brugte, var en frustreret kvante-antiferromagnet SrCu ₂ (BO ₃ ) ₂ , " sagde Larrea. "Vi målte den specifikke varme i små prøver under samtidig ekstreme temperaturforhold [til 0,1 kelvin], tryk [til 27 kilobar] og magnetfelt [til 9 tesla]. Specifik varme er en fysisk egenskab, der giver os et mål for den indre energi i systemet, og fra dette, vi kan udlede forskellige former for ordnet eller uordnet kvantetilstand, og mulige elektroniske tilstande eller sammenfiltrede spin-tilstande."

At opnå disse målinger med den præcision, der kræves for at afsløre korrelerede kvantetilstande, ved hjælp af prøver udsat for ekstremt lave temperaturer, høje tryk og stærke magnetiske felter, var en formidabel eksperimentel udfordring, ifølge Larrea. Forsøgene blev udført i Lausanne, Schweiz, ved Laboratory for Quantum Magnetism ved Federal Polytechnic School of Lausanne (LQM-EPFL), ledet af Henrik Rønnow. Præcisionen af ​​målingerne motiverede de teoretiske samarbejdspartnere, ledet af Frédéric Mila (EPFL) og Philippe Corboz (University of Amsterdam), at udvikle state-of-the-art beregningsmetoder til fortolkning af de forskellige observerede anomalier.

"Vores resultater viste uventede manifestationer af kvantefaseovergange i rene spinsystemer, " sagde Larrea. "Først, vi observerede en kvantefaseovergang mellem to forskellige former for sammenfiltret spin-tilstand, den dimere tilstand [spin korrelerede ved to atomare steder] og plaquettetilstanden [spin korrelerede ved fire atomare steder]. Denne førsteordensovergang ender på det kritiske punkt, ved en temperatur på 3,3 kelvin og et tryk på 20 kilobar. Selvom de kritiske punkter for vand og SrCu ₂ (BO ₃ ) ₂ spin -system har lignende egenskaber, de tilstande, der opstår nær det kritiske punkt i spin-systemet, overholder en anden beskrivelse af fysik, af Ising-typen." Udtrykket Ising refererer til en model for statistisk mekanik opkaldt efter den tyske fysiker Ernst Ising (1900-98).

"Vi har også observeret, at dette kritiske punkt har en diskontinuitet i magnetisk partikeltæthed, med tripletter eller tilstande korreleret i forskellige konfigurationer af spin-orientering, hvilket fører til fremkomsten af ​​en rent kvante antiferromagnetisk tilstand, "Sagde Larrea (se figur 2).

Det næste skridt for Larrea er at finde ud af mere om kritikalitet og sammenfiltrede spin-tilstande, der opstår i nærheden af ​​det kritiske punkt, arten af ​​de diskontinuerlige og kontinuerlige kvantefaseovergange, og energiskalaerne, der repræsenterer interaktioner og korrelationer mellem elektronspin og ladninger, der fører til kvantetilstande såsom superledning. "Til denne ende, vi planlægger at gennemføre en undersøgelse med tryk omkring det kritiske punkt og højere tryk, " sagde han. Et nyt anlæg, laboratoriet for kvantemateriale under ekstreme forhold (LQMEC), oprettes til dette formål i samarbejde med Valentina Martelli, en professor i IF-USP's Institut for Eksperimentel Fysik.