Figura 1:Diagrama de fases del agua, mostrando el inicio de la transición de primer orden y la coexistencia de estados líquido y gaseoso a lo largo de la línea negra. La transición termina en el punto crítico, marcado con una estrella. Crédito:Julio Larrea, adaptado de la imagen publicada en Naturaleza
Los sistemas cuánticos puros pueden experimentar transiciones de fase análogas a la transición de fase clásica entre los estados líquido y gaseoso del agua. A nivel cuántico, sin embargo, los giros de la partícula en estados que emergen de las transiciones de fase muestran un comportamiento colectivo enredado. Esta observación inesperada ofrece una nueva vía para la producción de materiales con propiedades topológicas que son útiles en aplicaciones de espintrónica y computación cuántica.
El descubrimiento fue realizado por una colaboración internacional liderada por Julio Larrea, profesor del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP) en Brasil. Larrea es el primer autor de un artículo sobre el estudio publicado en Naturaleza .
"Obtuvimos la primera evidencia experimental de una transición de fase cuántica de primer orden en un sistema cuasi-bidimensional que consta completamente de espines. Fue un estudio pionero en términos tanto de desarrollo experimental como de interpretación teórica, "Dijo Larrea.
Para comprender la importancia de este descubrimiento, ayudará a examinar la transición de fase clásica, que puede ejemplificarse por el cambio en el estado del agua, y su análogo cuántico, ejemplificado por la transición de metal-aislante de Mott.
"El cambio en el estado del agua, que ocurre a 100 ° C bajo presión atmosférica estándar, es lo que llamamos una transición de primer orden. Se caracteriza por un salto discontinuo en la densidad de moléculas. En otras palabras, el número de moléculas de agua por unidad de volumen varía drásticamente entre un estado y otro, ", Dijo Larrea." Esta transición discontinua de primer orden evoluciona de acuerdo con la presión y la temperatura hasta que se suprime por completo en el llamado punto crítico del agua. que ocurre a 374 ° C y 221 bar. En el punto crítico, la transición es de segundo orden, es decir, continuo ".
En las proximidades del punto crítico, las propiedades del agua se comportan de forma anómala, porque las fluctuaciones de densidad están infinitamente correlacionadas en la escala de longitud atómica. Como resultado, el material manifiesta un estado único que difiere tanto de un gas como de un líquido (ver Figura 1).
Figura 2:SrCu 2 (BO 3 ) 2 diagrama de fase del sistema de giro, mostrando el inicio de la transición de primer orden en el cero absoluto. La transición de primer orden termina en el punto crítico, análogamente al diagrama de agua. Sin embargo, a diferencia de lo que pasa con el agua, en el sistema de espín surge un nuevo estado ordenado que es puramente cuántico y fuertemente correlacionado:el estado antiferromagnético. Crédito:Julio Larrea, adaptado de la imagen publicada en Naturaleza
"En materia cuántica, la transición de metal-aislante de Mott es un raro ejemplo de una transición de primer orden. A diferencia de los metales y aislantes ordinarios, que tienen electrones libres que no interactúan, un estado de Mott implica una fuerte interacción entre las cargas de electrones, configurar el comportamiento colectivo, ", Explicó Larrea." Las escalas de energía de estas interacciones son muy bajas, por lo que una transición de fase cuántica de primer orden entre un metal y un aislante puede ocurrir en el cero absoluto, que es la temperatura más baja posible. La interacción entre cargas varía con la temperatura y la presión hasta que se suprime en el punto crítico. A medida que se acerca el punto crítico, densidad de carga de volumen, que es la cantidad de carga por unidad de volumen, sufre un cambio tan abrupto que puede inducir nuevos estados de la materia como la superconductividad ".
En los dos ejemplos mencionados, los fenómenos involucran partículas masivas como moléculas de agua y electrones. La pregunta planteada por los investigadores fue si el concepto de transición de fase podría extenderse a sistemas cuánticos sin masa, como un sistema compuesto únicamente por espines (entendido como una manifestación cuántica de materia asociada con estados magnéticos). Nunca antes se había observado una situación de este tipo.
"El material que usamos fue un antiferromagnet cuántico frustrado SrCu 2 (BO 3 ) 2 , ", Dijo Larrea." Medimos el calor específico de muestras pequeñas bajo condiciones de temperatura simultáneamente extremas [a 0,1 kelvin], presión [hasta 27 kilobar] y campo magnético [hasta 9 tesla]. El calor específico es una propiedad física que nos da una medida de la energía interna del sistema, y de esto, podemos inferir diferentes tipos de estado cuántico ordenado o desordenado, y posibles estados electrónicos o estados de espín entrelazados ".
Obtener estas medidas con la precisión necesaria para revelar estados cuánticos correlacionados, utilizando muestras sometidas a temperaturas extremadamente bajas, altas presiones y fuertes campos magnéticos, fue un formidable desafío experimental, según Larrea. Los experimentos se realizaron en Lausana, Suiza, en el Laboratorio de Magnetismo Cuántico de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (LQM-EPFL), encabezada por Henrik Rønnow. La precisión de las mediciones motivó a los colaboradores teóricos, dirigido por Frédéric Mila (EPFL) y Philippe Corboz (Universidad de Amsterdam), Desarrollar métodos computacionales de última generación con los que interpretar las diferentes anomalías observadas.
"Nuestros resultados mostraron manifestaciones inesperadas de transiciones de fase cuántica en sistemas de espín puro, "Larrea dijo." Primero, observamos una transición de fase cuántica entre dos tipos diferentes de estado de espín entrelazado, el estado dímero [espines correlacionados en dos sitios atómicos] y el estado de placa [espines correlacionados en cuatro sitios atómicos]. Esta transición de primer orden termina en el punto crítico, a una temperatura de 3,3 kelvin y una presión de 20 kilobar. Aunque los puntos críticos del agua y el SrCu 2 (BO 3 ) 2 el sistema de giro tiene características similares, los estados que emergen cerca del punto crítico del sistema de espín cumplen con una descripción diferente de la física, del tipo Ising. "El término Ising se refiere a un modelo de mecánica estadística llamado así por el físico alemán Ernst Ising (1900-98).
"También observamos que este punto crítico tiene una discontinuidad en la densidad de partículas magnéticas, con tripletes o estados correlacionados en diferentes configuraciones de orientación de giro, que conduce a la aparición de un estado antiferromagnético puramente cuántico, ", Dijo Larrea (ver Figura 2).
El siguiente paso para Larrea es averiguar más sobre la criticidad y los estados de espín entrelazados que surgen en las proximidades del punto crítico, la naturaleza de las transiciones de fase cuántica discontinuas y continuas, y las escalas de energía que representan las interacciones y correlaciones entre los espines de los electrones y las cargas que conducen a estados cuánticos como la superconductividad. "Para tal fin, planeamos realizar un estudio con presiones alrededor del punto crítico y presiones más altas, ", dijo. Una nueva instalación, el Laboratorio de Materia Cuántica en Condiciones Extremas (LQMEC), se crea a tal efecto en colaboración con Valentina Martelli, profesor del Departamento de Física Experimental de IF-USP.
