En física, las cosas existen en fases, como sólido, estados líquido y gaseoso. Cuando algo pasa de una fase a otra, hablamos de una transición de fase, como el agua hirviendo en vapor, pasando de líquido a gas.

En nuestras cocinas, el agua hierve a 100 grados C, y su densidad cambia drásticamente, haciendo un salto discontinuo de líquido a gas. Sin embargo, si subimos la presión, el punto de ebullición del agua también aumenta, hasta una presión de 221 atmósferas donde hierve a 374 grados C. Aquí, Sucede algo extraño:el líquido y el gas se fusionan en una sola fase. Por encima de este "punto crítico, "ya no hay una transición de fase, y así controlando su presión, el agua se puede conducir de líquido a gas sin ni siquiera cruzar uno.

¿Existe una versión cuántica de una transición de fase similar al agua? "Las direcciones actuales en el magnetismo cuántico y la espintrónica requieren interacciones altamente anisotrópicas de espín para producir la física de las fases topológicas y los qubits protegidos, pero estas interacciones también favorecen las transiciones de fase cuántica discontinuas, "dice el profesor Henrik Rønnow de la Facultad de Ciencias Básicas de la EPFL.

Los estudios anteriores se han centrado en transiciones de fase continuas en materiales magnéticos cuánticos. Ahora, en un proyecto teórico y experimental conjunto dirigido por Rønnow y el profesor Frédéric Mila, también en la Facultad de Ciencias Básicas, Los físicos de la EPFL y el Instituto Paul Scherrer han estudiado una transición de fase discontinua para observar el primer punto crítico en un imán cuántico, similar al del agua. El trabajo ahora está publicado en Naturaleza .

Los científicos utilizaron un antiferromagnet cuántico, conocido en el campo como SCBO (por su composición química:SrCu ₂ (BO ₃ ) ₂ ). Los antiferromagnetos cuánticos son especialmente útiles para comprender cómo los aspectos cuánticos de la estructura de un material afectan sus propiedades generales, por ejemplo, cómo interactúan los espines de sus electrones para dar sus propiedades magnéticas. SCBO también es un imán "frustrado", lo que significa que sus espines de electrones no pueden estabilizarse en alguna estructura ordenada, y en su lugar adoptan algunos estados fluctuantes cuánticos únicos.

En un experimento complejo, los investigadores controlaron tanto la presión como el campo magnético aplicado a piezas de miligramos de SCBO. “Esto nos permitió mirar alrededor de la transición de fase cuántica discontinua y de esa manera encontramos la física de puntos críticos en un sistema de espín puro, "dice Rønnow.

El equipo realizó mediciones de alta precisión del calor específico de SCBO, que mostró su disposición a absorber energía. Por ejemplo, el agua absorbe solo pequeñas cantidades de energía a -10 grados C, pero a 0 grados C y 100 grados C, puede absorber grandes cantidades a medida que cada molécula atraviesa las transiciones de hielo a líquido y de líquido a gas. Como el agua la relación presión-temperatura de SCBO forma un diagrama de fase que muestra una línea de transición discontinua que separa dos fases magnéticas cuánticas, con la línea terminando en un punto crítico.

"Ahora, cuando se aplica un campo magnético, el problema se vuelve más rico que el agua, ", dice Frédéric Mila." Ninguna fase magnética se ve fuertemente afectada por un campo pequeño, de modo que la línea se convierte en una pared de discontinuidades en un diagrama de fase tridimensional, pero luego una de las fases se vuelve inestable y el campo ayuda a empujarla hacia una tercera fase ".

Para explicar este comportamiento cuántico macroscópico, los investigadores se asociaron con varios colegas, en particular el profesor Philippe Corboz de la Universidad de Amsterdam, que han estado desarrollando nuevas y poderosas técnicas informáticas.

"Previamente, no fue posible calcular las propiedades de los imanes cuánticos 'frustrados' en un modelo realista bidimensional o tridimensional, "dice Mila." Así que SCBO proporciona un ejemplo oportuno en el que los nuevos métodos numéricos se encuentran con la realidad para proporcionar una explicación cuantitativa de un fenómeno nuevo en el magnetismo cuántico ".

Henrik Rønnow concluye:"Mirando hacia el futuro, la próxima generación de materiales cuánticos funcionales se cambiará a través de transiciones de fase discontinuas, por lo que una comprensión adecuada de sus propiedades térmicas ciertamente incluirá el punto crítico, cuya versión clásica es conocida por la ciencia desde hace dos siglos ".