Cuando la materia cambia de sólidos a líquidos a vapores, los cambios se denominan transiciones de fase. Entre los tipos más interesantes se encuentran los cambios más exóticos, las transiciones de fase cuántica, donde las extrañas propiedades de la mecánica cuántica pueden producir cambios extraordinarios de formas curiosas.

En un artículo publicado en Cartas de revisión física , un equipo de investigadores dirigido por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía informa sobre el descubrimiento de un nuevo tipo de transición de fase cuántica. Esta transición única ocurre en un punto crítico cuántico elástico, o QCP, donde la transición de fase no es impulsada por energía térmica sino por las fluctuaciones cuánticas de los propios átomos.

Los investigadores utilizaron una combinación de técnicas de difracción de rayos X y neutrones, junto con las mediciones de la capacidad calorífica, para revelar cómo se puede encontrar un QCP elástico en un material de lantano-cobre simplemente agregando un poco de oro.

Las transiciones de fase asociadas con los QCP ocurren a una temperatura cercana al cero absoluto (aproximadamente menos 460 grados Fahrenheit), y normalmente son impulsados ​​a esa temperatura a través de factores como la presión, campos magnéticos, o sustituyendo elementos químicos o elementos adicionales en el material.

"Estudiamos los QCP porque los materiales exhiben muchos comportamientos extraños y emocionantes cerca de la transición de fase de temperatura cero que no pueden ser explicados por la física clásica". "dijo el autor principal Lekh Poudel, un estudiante graduado de la Universidad de Tennessee que trabaja en la División de Materia Condensada Cuántica de ORNL. "Nuestro objetivo era explorar la posibilidad de un nuevo tipo de QCP donde el movimiento cuántico altera la disposición de los átomos.

"Su existencia se había predicho teóricamente, pero no ha habido ninguna prueba experimental hasta ahora, ", dijo." Somos los primeros en establecer que el QCP elástico existe ".

“El estudio de las transiciones de fase cuántica es parte de un esfuerzo mayor para estudiar materiales cuánticos que tienen el potencial de ser utilizados en dispositivos que nos mueven más allá de nuestros paradigmas tecnológicos actuales y nos brindan funcionalidades transformadoras, "dijo Andrew Christianson, científico de instrumentos de ORNL.

"Las transiciones de fase cuántica son prototipos para generar nuevas fases cuánticas de materia. En ese sentido, siempre estamos tratando de identificar nuevos tipos de transiciones de fase cuántica, ya que son una de las formas en que encontramos nuevos comportamientos mecánicos cuánticos en los materiales ".

Para comprender mejor el comportamiento único del lantano-cobre-oro, el equipo utilizó el instrumento de difractómetro de polvo de neutrones en el reactor de isótopos de alto flujo de ORNL, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, para caracterizar la estructura del material, agregando más oro a la composición con cada medición posterior.

"Los neutrones nos permitieron mirar profundamente en el material a temperaturas extremadamente bajas para ver dónde estaban los átomos y cómo se comportaban. "Dijo Poudel.

Los investigadores ya sabían que sin la presencia de oro, el lantano-cobre se somete a una transición de fase a aproximadamente 370 grados Fahrenheit, donde la estructura cristalina del sistema cambia al enfriarse. Cuando se agrega más oro, la temperatura de transición desciende gradualmente. Poudel y el equipo continuaron agregando más oro hasta que la temperatura de transición alcanzó cerca del cero absoluto.

"Debido a que los átomos de oro tienen un radio atómico significativamente mayor que los átomos de cobre, cuando agregamos oro al material, el desajuste de átomos dentro de la estructura cristalina suprime la transición de fase a una temperatura más baja manipulando la tensión interna de la estructura. A temperatura cercana a cero, donde la energía térmica ya no juega un papel en la transición de fase, podemos ver los efectos de las fluctuaciones cuánticas en el movimiento de los átomos, "Dijo Poudel.

Los investigadores también realizaron mediciones de capacidad calorífica, que mostraba cuánto calor se necesitaba para cambiar la temperatura del material unos pocos grados y proporcionaba información sobre las fluctuaciones en el material.

"En tono rimbombante, los resultados combinados muestran que este es el primer ejemplo de un potencial QCP elástico, donde las escalas de energía electrónica no tienen ninguna relevancia para las fluctuaciones cuánticas, "dijo Andrew May, investigador de la División de Ciencia y Tecnología de Materiales de ORNL.

"Este QCP elástico en LaCu6-xAux es un ejemplo perfecto de donde se puede estudiar el comportamiento fundamental de un QCP sin la complicación de la carga de los electrones, lo que probablemente no sería posible en otros ejemplos de QCP, "dijo Poudel." Ahora que los hemos encontrado, podemos estudiar más de cerca las fluctuaciones microscópicas que impulsan esta transición de fase cuántica y aplicar otras técnicas que nos darán una mayor profundidad de conocimiento sobre estos comportamientos extraordinarios ".

De la investigación, David Mandrus, miembro de la facultad conjunta de la Universidad de Tennessee y ORNL, dijo:"Este trabajo es un gran ejemplo de cómo la Universidad de Tennessee y ORNL pueden unirse para producir ciencia de primer nivel y brindar una oportunidad educativa inigualable para un estudiante de doctorado altamente motivado. Historias de éxito como esta ayudarán a atraer más talento joven a Tennessee, lo que beneficiará tanto a UTK como a ORNL ".

Los autores del artículo incluyen a Lekh Poudel, Andrew F. May, Michael R. Koehler, Michael A. McGuire, Saikat Mukhopadhyay, Stuart Calder, Ryan E. Baumbach, Rupam Mukherjee, Deepak Sapkota, Clarina dela Cruz, David J. Singh, David Mandrus y Andrew D. Christianson.

Los Departamentos de Física y Astronomía y Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Tennessee hicieron contribuciones complementarias. el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Missouri, el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético de la Universidad Estatal de Florida y la Fuente de Fotones Avanzada del Laboratorio Nacional Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

La investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias del DOE, Centro de investigación de frontera energética S3TEC del DOE, y la Fundación Nacional de Ciencias.