Найден квантовый магнитный аналог критической точки воды

МОСКВА, 14 апр — РИА Новости. Физики впервые зафиксировали в магнитных материалах новое квантовое состояние, аналогичное классической критической точке сосуществования фаз у веществ типа воды. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Такие вещества, как вода, существуют в виде фаз: твердое тело, жидкость, газ. Когда вода, охлаждаясь, переходит в лед, или при кипении превращается в пар, говорят о фазовых переходах. В зависимости от давления, эти переходы, в зависимости от давления, происходят при разных температурах. Например, при нормальном давлении вода закипает при 100 градусах Цельсия, а по мере его увеличения, возрастает и температура кипения.

Однако у каждого классического вещества есть точка, называемая критической, в которой две или более фазы, находящиеся в термодинамическом равновесии, становятся тождественными по своим свойствам, по сути дела сливаясь в одну. Для воды это происходит при давлении 221 атмосфера и температуре 374 градуса Цельсия. Выше этой критической точки фазового перехода нет — вода в этой области находится всегда в одной фазе.

Швейцарские физики из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) вместе с коллегами из Австрии, Бразилии, Франции, Германии, Гонконга, Катара и Нидерландов решили выяснить, есть ли аналог критической точки в квантовых свойствах магнитных материалов.

"Текущие направления в квантовом магнетизме и спинтронике требуют сильно анизотропных спиновых взаимодействий для создания физики топологических фаз и защищенных кубитов, но эти взаимодействия способствуют прерывистым квантовым фазовым переходам", — приводятся в пресс-релизе EPFL слова одного из руководителей исследования, профессора Хенрика Рённоу (Henrik Rønnow) из Школы фундаментальных наук.

Для обнаружения первой в истории физики критической точки в квантовом магните ученые использовали квантовый антиферромагнетик SCBO, названный так по своему химическому составу — SrCu₂ (BO₃)₂. SCBO — пример "фрустрированного" магнита. Это значит, что его электронные спины не могут стабилизироваться в упорядоченной структуре, вместо этого они принимают некоторые уникальные квантовые флуктуирующие состояния. В сложном эксперименте исследователи контролировали как давление, так и магнитное поле, приложенное к миллиграммовым кусочкам SCBO.

"Это позволило нам взглянуть на прерывистый квантовый фазовый переход, и таким образом мы нашли критические точки в чистой спиновой системе", — говорит Рённоу.

Исследователи провели высокоточные измерения теплоемкости SCBO, которая определяет готовность вещества поглощать энергию. Например, вода при минус 10 градусах Цельсия поглощает лишь небольшое количество энергии, но при нуле или 100 градусах Цельсия у воды огромная теплоемкость, так как в этих точках каждая молекула совершает фазовый переход от льда к жидкости или от жидкости к газу.

Оказалось, что, как и в случае воды, зависимость давления от температуры SCBO формирует фазовую диаграмму, показывающую прерывистую линию перехода, разделяющую две квантовые магнитные фазы, с линией, заканчивающейся в критической точке.

Авторы отмечают, что изучение свойств антиферромагнетиков очень важно для понимания процессов, происходящих в функциональных квантовых материалах следующего поколения, которые могут переключаться через прерывистые фазовые переходы, включающие критические точки.