En todos los días de la vida, las transiciones de fase generalmente tienen que ver con cambios de temperatura, por ejemplo, cuando un cubo de hielo se calienta y se derrite. Pero también hay diferentes tipos de transiciones de fase, dependiendo de otros parámetros como el campo magnético. Para comprender las propiedades cuánticas de los materiales, Las transiciones de fase son particularmente interesantes cuando ocurren directamente en el punto cero absoluto de temperatura. Estas transiciones se denominan "transiciones de fase cuántica" o "puntos críticos cuánticos".

Un equipo de investigación austriaco-estadounidense ha descubierto un punto crítico cuántico en un material novedoso, y en una forma inusualmente prístina. Las propiedades de este material ahora se están investigando más a fondo. Se sospecha que el material podría ser un llamado semimetal Weyl-Kondo, que se considera que tiene un gran potencial para la tecnología cuántica debido a estados cuánticos especiales (los llamados estados topológicos). Si esto resulta ser cierto, se habría encontrado una clave para el desarrollo específico de materiales cuánticos topológicos. Los resultados se encontraron en una cooperación entre TU Wien, Universidad Johns Hopkins, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Rice y ahora se ha publicado en la revista Avances de la ciencia .

Criticidad cuántica:más simple y clara que nunca

"Por lo general, el comportamiento crítico cuántico se estudia en metales o aislantes. Pero ahora hemos examinado un semimetal, ", dice la profesora Silke Bühler-Paschen del Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien. El material es un compuesto de cerio, rutenio y estaño, con propiedades que se encuentran entre las de los metales y los semiconductores.

Generalmente, La criticidad cuántica sólo se puede crear en condiciones ambientales muy específicas:una determinada presión o un campo electromagnético. "Asombrosamente, sin embargo, nuestro semimetal resultó ser crítico cuántico sin ninguna influencia externa, "dice Wesley Fuhrman, un doctorado estudiante del equipo del Prof.Collin Broholm en la Universidad Johns Hopkins, quien hizo una contribución importante al resultado con mediciones de dispersión de neutrones. "Normalmente hay que trabajar duro para producir las condiciones de laboratorio adecuadas, pero este semimetal proporciona la criticidad cuántica por sí mismo ".

Este sorprendente resultado probablemente esté relacionado con el hecho de que el comportamiento de los electrones en este material tiene algunas características especiales. "Es un sistema de electrones altamente correlacionado. Esto significa que los electrones interactúan fuertemente entre sí, y que no se puede explicar su comportamiento observando los electrones individualmente, ", dice Bühler-Paschen." Esta interacción de electrones conduce al llamado efecto Kondo. Aquí, un espín cuántico en el material está protegido por electrones que lo rodean, para que el giro ya no tenga ningún efecto sobre el resto del material ".

Si solo hay relativamente pocos electrones libres, como es el caso de un semimetal, entonces el efecto Kondo es inestable. Esta podría ser la razón del comportamiento crítico cuántico del material:el sistema fluctúa entre un estado con y un estado sin el efecto Kondo, y esto tiene el efecto de una transición de fase a temperatura cero.

Las fluctuaciones cuánticas podrían conducir a partículas de Weyl

La principal razón por la que el resultado es de tanta importancia es que se sospecha que está estrechamente relacionado con el fenómeno de los "fermiones de Weyl". En sólidos, Los fermiones de Weyl pueden aparecer en forma de cuasipartículas, es decir. como excitaciones colectivas como olas en un estanque. Según las predicciones teóricas, tales fermiones de Weyl deberían existir en este material, "dice el físico teórico Qimiao Si de la Universidad de Rice. Prueba experimental, sin embargo, aún no se ha encontrado. "Sospechamos que la criticidad cuántica que observamos favorece la aparición de tales fermiones de Weyl, ", dice Silke Bühler-Paschen." Por lo tanto, las fluctuaciones críticas cuánticas podrían tener un efecto estabilizador sobre los fermiones de Weyl, de manera similar a las fluctuaciones críticas cuánticas en superconductores de alta temperatura que mantienen unidos los pares de Cooper superconductores. Esta es una pregunta muy fundamental que es objeto de mucha investigación en todo el mundo, y hemos descubierto una nueva pista interesante aquí ".

Nos parece que ciertos efectos cuánticos, a saber, fluctuaciones críticas cuánticas, el efecto Kondo y los fermiones Weyl, están estrechamente entrelazados en el material recién descubierto y, juntos, dan lugar a estados exóticos de Weyl-Kondo. Estos son estados 'topológicos' de gran estabilidad que, a diferencia de otros estados cuánticos, no puede ser destruido fácilmente por perturbaciones externas. Esto los hace particularmente interesantes para las computadoras cuánticas.

Para verificar todo esto, Se deben realizar más mediciones en diferentes condiciones externas. El equipo espera que también se encuentre en otros materiales una interacción similar de los diversos efectos cuánticos. "Esto podría conducir al establecimiento de un concepto de diseño con el que dichos materiales puedan mejorarse específicamente, adaptado y utilizado para aplicaciones de hormigón, "dice Bühler-Paschen.