Вода и квантовые магниты разделяют критическую физику

В физике вещи существуют в «фазах», таких как твердое тело, , газ. Когда что-то переходит из одной фазы в другую, мы говорим о «фазовом переходе» — представьте себе воду, кипящую в пар, превращающуюся из жидкости в газ.


На наших кухнях вода закипает при температуре 100oC, и ее резко меняется, совершая скачки от жидкости к газу. Однако, если мы увеличим давление, кипения воды также возрастет до давления 221 атм, где она закипит при 374oC. Здесь происходит нечто странное: жидкость и газ сливаются в одну фазу. Выше этой «критической точки» фазового перехода больше нет, и поэтому, контролируя его давление, вода может быть переведена из жидкости в газ, даже не пересекая ее.

Есть ли квантовая версия водоподобного фазового перехода? «Текущие направления в квантовом магнетизме и спинтронике требуют сильно анизотропных спиновых взаимодействий для создания физики топологических фаз и защищенных кубитов, но эти взаимодействия также способствуют прерывистым квантовым фазовым переходам», — говорит профессор Хенрик Ронноу из Школы фундаментальных наук EPFL.

Предыдущие исследования были сосредоточены на плавных, непрерывных фазовых переходах в квантовых магнитных материалах. Теперь, в совместном экспериментальном и теоретическом проекте под руководством Рённов и профессора Фредерика Милы, также из Школы фундаментальных наук, физики из EPFL и Института Пауля Шеррера изучили прерывистый фазовый переход, чтобы обнаружить первую в истории критическую точку в квантовом магните. , похожий на воду. Работа опубликована в Природа.

Ученые использовали «квантовый антиферромагнетик», известный в данной области как SCBO (по химическому составу: SrCu2 (BO3) 2). Квантовые антиферромагнетики особенно полезны для понимания того, как квантовые аспекты структуры материала влияют на его общие свойства — например, как спины его электронов взаимодействуют, давая его . SCBO также является «фрустрированным» магнитом, что означает, что его электронные спины не могут стабилизироваться в некоторой упорядоченной структуре, и вместо этого они принимают некоторые уникальные квантовые флуктуирующие состояния.

В сложном эксперименте исследователи контролировали как давление, так и , приложенное к миллиграммовым кусочкам SCBO. «Это позволило нам взглянуть на прерывистый квантовый фазовый переход, и таким образом мы нашли физику критических точек в чистой спиновой системе», — говорит Ронноу.

Команда провела высокоточные измерения теплоемкости SCBO, что показывает его готовность «поглощать энергию». Например, вода поглощает лишь небольшое количество энергии при -10oC, но при 0oC и 100oC она может потреблять огромные количества, поскольку каждая молекула движется через переходы от льда к жидкости и от жидкости к газу. Как и вода, давления от температуры SCBO формирует фазовую диаграмму, показывающую прерывистую линию перехода, разделяющую две квантовые магнитные фазы, с линией, заканчивающейся в критической точке.

«Теперь, когда применяется магнитное поле, проблема становится богаче воды», — говорит Фредерик Мила. «Ни одна из магнитных фаз не подвержена сильному влиянию небольшого поля, поэтому линия становится стенкой разрывов на трехмерной фазовой диаграмме — но затем одна из фаз становится нестабильной, и поле помогает подтолкнуть ее к третьей фазе».

Чтобы объяснить это макроскопическое квантовое , исследователи объединились с несколькими коллегами, в частности с профессором Филиппом Корбозом из Амстердамского университета, которые разрабатывали новые мощные компьютерные методы.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments