Representación esquemática del diagrama de fases "Temperatura T frente al campo magnético externo B", para una transición de fase cuántica bajo la aplicación de un campo magnético externo. En un), el punto crítico cuántico (azul claro) sufre una transición de fase cuando el campo magnético externo alcanza un cierto valor crítico. En (b), se muestra un punto crítico cuántico hipotético para B =0 y T =0 (punto en rojo). El degradado rojo representa el papel de las interacciones mutuas entre momentos magnéticos. Tales interacciones se vuelven cada vez más relevantes a medida que disminuye la temperatura. La línea discontinua en ambos paneles representa líneas de transición (cruce). Crédito:FAPESP
Las transiciones de fase clásicas se rigen por la temperatura. Uno de los ejemplos más familiares son las transiciones de fase del agua de sólido a líquido a gas. Sin embargo, otros parámetros gobiernan las transiciones de fase cuando las temperaturas se acercan al cero absoluto, incluida la presión, el campo magnético, y dopaje, que introducen desorden en la estructura molecular de un material.
Este tema es tratado desde el punto de vista teórico en el artículo "Revelando la física de las interacciones mutuas en paramagnetos, " publicado en Informes científicos .
El artículo fue el resultado de discusiones mantenidas en el laboratorio en el contexto de la investigación doctoral de los dos autores principales, Lucas Squillante e Isys Mello, supervisado por el último autor, Mariano de Souza, profesor del Departamento de Física del Instituto de Geociencias y Ciencias Exactas (IGCE-UNESP) de la Universidad del Estado de São Paulo en Rio Claro, Brasil.
Los otros coautores son Roberto Eugenio Lagos Mônaco y Antonio Carlos Seridonio, también profesores de la UNESP, y Harry Eugene Stanley, profesor de la Universidad de Boston (EE. UU.).
El estudio fue apoyado por la Fundación de Investigación de São Paulo — FAPESP a través de una subvención otorgada al proyecto "Exploración de las propiedades termodinámicas y de transporte de sistemas de electrones fuertemente correlacionados," "de la que Souza fue el investigador principal.
"En materiales paramagnéticos, siempre hay una contribución sutil de muchos cuerpos a la energía del sistema. Esta contribución puede considerarse un pequeño campo magnético local efectivo. Por lo general, se pasa por alto dada la muy pequeña cantidad de energía asociada con él en comparación con la energía asociada con las fluctuaciones térmicas o los campos magnéticos externos.
Sin embargo, cuando la temperatura y el campo magnético externo se acercan a cero, Tales contribuciones de muchos cuerpos se vuelven significativas, "Dijo Souza.
El estudio mostró que la materia siempre tiende a ordenarse a bajas temperaturas debido a las interacciones de muchos cuerpos. Por lo tanto, el modelo de gas de espín que no interactúa no ocurre en el mundo real porque una interacción de muchos cuerpos entre los espines del sistema impondría un orden.
"Descubrimos que en materiales reales, No existe un punto crítico en el que se produzca una transición de fase cuántica en un campo cero genuino debido a la persistencia del campo magnético residual creado por la interacción de muchos cuerpos. En un contexto más amplio, La condensación ideal de Bose-Einstein no se puede obtener debido a esta interacción, "Dijo Souza.
Un condensado de Bose-Einstein, a menudo referido como el "quinto estado de la materia" (los otros son sólidos, líquido, gas y plasma), es un grupo de átomos enfriado dentro de un cabello de cero absoluto. Cuando alcanzan esa temperatura, los átomos no tienen energía libre para moverse entre sí y caer en los mismos estados cuánticos, comportándose como una sola partícula.
Los condensados de Bose-Einstein fueron predichos y calculados teóricamente por primera vez por Satyendra Nath Bose (1894-1974) y Albert Einstein (1879-1955) en 1924, pero no fue hasta 1995 que Eric A. Cornell, Carl E. Wieman y Wolfgang Ketterle lograron hacer uno usando gas rubidio ultrafrío, por lo que los tres fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 2001.
"Lo que mostró nuestro estudio fue que, aunque se puede obtener experimentalmente un condensado de Bose-Einstein no ideal, la condición ideal para la condensación no se puede lograr porque presupone que las partículas no se perciben ni interactúan entre sí, mientras que la interacción residual siempre ocurre, incluso en las proximidades del cero absoluto, "Dijo Souza.
"Otro descubrimiento fue que la materia se puede magnetizar adiabáticamente [sin pérdida o ganancia de calor] a través de estas interacciones mutuas solamente".
