Las transiciones de fase comunes son aquellas que ocurren en función de la variación de temperatura. El hielo cambia de fase para convertirse en agua líquida a 0 grados Celsius. El agua líquida cambia de fase para convertirse en vapor de agua a 100 grados Celsius. Similar, los materiales magnéticos se vuelven no magnéticos a temperaturas críticas. Sin embargo, también hay transiciones de fase que no dependen de la temperatura. Ocurren en las proximidades del cero absoluto [-273,15 grados Celsius] y están asociados con fluctuaciones cuánticas.

Un estudio que involucra experimentos en condiciones extremas, especialmente temperaturas ultrabajas y campos magnéticos intensos, y acompañado de la interpretación teórica de los resultados experimentales exploró este tipo de situaciones e investigó el punto crítico cuántico manifestado en una transición altamente inusual.

La investigadora italiana Valentina Martelli y el peruano Julio Larrea, ambos profesores del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP) en Brasil, participó en el estudio, que se publica en Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ).

La parte experimental, dirigido por la profesora Silke Paschen, se llevó a cabo en los laboratorios de la Universidad Tecnológica de Viena (TUW) en Austria. El trabajo teórico fue realizado por un grupo liderado por Qimiao Si, Catedrático de Física y Astronomía en Rice University en Estados Unidos.

"Encontramos e interpretamos evidencia de dos puntos críticos cuánticos sucesivos asociados con un doble colapso del efecto Kondo, "Larrea dijo.

Nombrado en honor al físico japonés Jun Kondo (nacido en 1930), el efecto Kondo explica la formación de fermiones pesados ​​en compuestos metálicos basados ​​en elementos de tierras raras. En estos compuestos, los electrones se comportan colectivamente debido a su fuerte correlación, formando un singlete (un colectivo de partículas distintas que se comportan como una sola partícula), que puede representarse como el acoplamiento del momento magnético localizado del ion de tierras raras con el electrón de conducción que lo rodea. Esta cuasi-partícula puede alcanzar masas de hasta miles de veces la masa de un electrón libre.

En el estudio descrito aquí, el singlete se rompió dos veces en dos órdenes magnéticos:uno dipolar, resultante del momento magnético de la cuasi-partícula, y el otro cuadrupolar, resultante de la interacción entre sus orbitales electrónicos.

El experimento se realizó con el fermión pesado Ce3Pd20Si6, un compuesto de cerio (Ce), paladio (Pd) y silicio (Si). Larrea continuará las investigaciones con el apoyo de la Fundación de Investigación de São Paulo a través del proyecto "Una investigación sobre estados cuánticos topológicos y exóticos en condiciones extremas".

"El punto de partida de estas transiciones son las fuertes correlaciones entre los electrones y ciertos materiales, que nos permiten comprender este tipo de cambio de estado, "Dijo Larrea.

"Varios tipos de interacción colectiva pueden afectar a los electrones. Un estado posible es lo que llamamos 'metal extraño". En fermiones pesados, El transporte de electrones es análogo al de los metales ordinarios, pero los electrones están fuertemente correlacionados y se comportan colectivamente como si formaran una sola cuasi-partícula, que transporta la carga. Esto no es lo que sucede en una transición de fase cuántica, por lo que el estado se llama 'extraño'. Lo que observamos experimentalmente es que las propiedades físicas, como la resistencia eléctrica, se comportan de manera bastante diferente al transporte de electrones clásico en los metales '.

El fenómeno ocurre a temperaturas extremadamente bajas muy cercanas al cero absoluto. Cuando las temperaturas caen tan bajas, las fluctuaciones termodinámicas prácticamente desaparecen, y se observan fluctuaciones cuánticas, constituyendo el "medio" en el que tienen lugar las interacciones entre electrones.

"Hasta la publicación de nuestro estudio, la mayoría de los experimentos de este tipo se han centrado en materiales en los que la correlación de electrones conduce a lo que se conoce como magnetismo electrónico itinerante y localizado simultáneamente. Estos materiales pertenecen al grupo de tierras raras e incluyen fermiones pesados:'fermiones' porque los electrones tienen espín fraccionario y obedecen a las estadísticas de Fermi-Dirac; 'pesado' porque se correlacionan con una cuasi-partícula con gran masa efectiva, "Dijo Larrea.

"Estos materiales también tienen un momento magnético, así que además de una cuasi-partícula portadora de carga, también están asociados con una cuasi-partícula con un momento magnético protegido o apantallado por los electrones de conducción. Cada momento magnético filtrado se puede acoplar a su vecino en la red cristalina, produciendo un orden magnético en todo el material. En el caso de Ce3Pd20Si6, este orden es de tipo anti-ferromagnético, lo que significa que los momentos magnéticos en la red están acoplados de forma antiparalela. En el punto crítico cuántico, este orden magnético puede suprimirse sin la influencia de un parámetro de control termodinámico, pero aplicando un campo magnético. La camiseta de Kondo se rompe, y el electrón que estaba acoplado a este orden magnético simplemente se separa ".

Esto no contradice los fundamentos de la mecánica cuántica, pero es muy diferente de lo que se describe en los libros de texto de física básica. Debido a que el momento magnético se define en relación con el giro, la supresión del orden magnético crea una situación en la que los electrones parecen carecer de espín.

"Este punto crítico cuántico basado en un orden magnético se había informado previamente en otros artículos, "Dijo Larrea." La diferencia en nuestro caso fue que además del orden magnético dipolar, el material también exhibía un orden magnético cuadrupolar generado por los orbitales de los electrones. Nuestro diagrama de fases, que es casi un resumen gráfico del estudio, por lo tanto, muestra dos puntos críticos cuánticos:uno en el que se interrumpe el orden dipolar, y el otro en el que se rompe el orden cuadrupolar ".

Según Larrea, aparte de este descubrimiento, Los resultados del estudio también son importantes en la medida en que contribuyen a la comprensión de otros problemas no resueltos. como la forma en que los electrones se organizan colectivamente para producir superconductividad. "Se necesita un pedido colectivo para producir transporte de largo alcance, ", dijo." Ciertos tipos de material con fuertes correlaciones entre los electrones pueden proporcionar esto. Ahora sabemos que estas fuertes correlaciones pueden suprimirse para favorecer la formación de nuevos estados con propiedades físicas medibles, incluso a temperaturas distintas del cero absoluto ".

El siguiente paso es ampliar la investigación de los cambios en las correlaciones electrónicas utilizando un parámetro de control diferente, la presión, para que en el futuro sea posible hacer uso tecnológico de este conocimiento en áreas como la computación cuántica.