Las características peculiares demostradas por los puntos críticos cuánticos en el cero absoluto siguen siendo uno de los grandes misterios sin resolver de la ciencia.

Normalmente, es necesario que haya un cambio de temperatura para ver una transición de fase:un líquido se enfría, se congela; un metal se calienta, pierde sus propiedades magnéticas. Pero hay algunas transiciones de fase en las que la temperatura no puede cambiar, porque ocurren justo en el cero absoluto. Los puntos críticos cuánticos donde tienen lugar tales transiciones han sido objeto de una intensa investigación durante muchos años. sin embargo, siguen resultando enormemente desconcertantes para los físicos cuánticos.

Hasta ahora, por ejemplo, No ha habido un modelo teórico completo para la superconductividad de alta temperatura que se sospecha está estrechamente relacionada con los puntos críticos cuánticos, aunque dicho modelo podría generar muchas aplicaciones técnicas útiles. Thomas Schäfer, Karsten Held y Alessandro Toschi, del Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien, están trabajando para comprender mejor estos fenómenos. publicar sus nuevas ideas sobre este campo en la revista Cartas de revisión física .

Fluctuaciones:si puede temblar, temblará

"Las fluctuaciones térmicas suelen ser responsables de las transiciones de fase, "explica Thomas Schäfer." Las partículas individuales comienzan a temblar o rotar, por ejemplo, completamente al azar. Cuanto mayor sea la temperatura, cuanto más pronunciadas se vuelven estas fluctuaciones, que puede conducir a una transición de fase - haciendo que un sólido se derrita, por ejemplo."

A medida que reduce la temperatura, las partículas se mueven cada vez menos, hasta llegar al cero absoluto, momento en el que ya no deberían moverse en absoluto. Entonces, se podría suponer que la calma total se habrá restablecido en el cero absoluto, ya que nada puede cambiar ... pero no es tan simple como eso.

"La física cuántica establece que es imposible que una partícula esté completamente en reposo en una ubicación específica, ", dice Alessandro Toschi." El principio de incertidumbre de Heisenberg nos dice que la posición y el impulso no se pueden determinar con total precisión. Por lo tanto, la posición y el momento de una partícula aún pueden cambiar en el cero absoluto, incluso si las fluctuaciones térmicas clásicas ya no están presentes. Estos cambios se conocen como fluctuaciones cuánticas ".

Entonces, cuando hace demasiado frío para movimientos de agitación clásicos, La física cuántica asegura que aún puedan suceder cosas físicamente interesantes. Y esa es exactamente la razón por la que las transiciones de fase en el cero absoluto son tan infinitamente fascinantes.

Momento y energía

"Lo que es crucial para el comportamiento de las partículas es cómo su impulso se relaciona con la energía, "dice Thomas Schäfer. Para una pelota lanzada por el aire, la correlación es simple:cuanto mayor es el impulso, cuanto mayor sea la energía cinética. La energía aumenta como el cuadrado de la cantidad de movimiento. Pero para las partículas en un sólido, esta relación es mucho más complicada, y puede verse muy diferente, dependiendo de la dirección en la que se mueva la partícula. Por lo tanto, esta conexión se modela utilizando 'superficies Fermi', que son capaces de adoptar formas tridimensionales complejas.

"Hasta ahora, se pensó que la forma de estas superficies de Fermi no era significativa en términos de transiciones de fase cuántica, ", dice Karsten Held." Hemos podido demostrar que no es así. Solo si tiene en cuenta la forma, puede calcular con precisión ciertos efectos físicos, por ejemplo, la forma en que las propiedades magnéticas de un material cambiarán a medida que se acerque al cero absoluto ".

Ahora, los investigadores esperan usar esta nueva herramienta para describir mejor los materiales críticos cuánticos, y tal vez arrojar luz sobre algunos de los grandes misterios que la ciencia de los materiales ha estado trabajando tan arduamente para resolver durante tantos años.