Quando la materia cambia da solido a liquido a vapore, i cambiamenti sono chiamati transizioni di fase. Tra i tipi più interessanti ci sono i cambiamenti più esotici, le transizioni di fase quantistiche, in cui le strane proprietà della meccanica quantistica possono provocare cambiamenti straordinari in modi curiosi.

In un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , un team di ricercatori guidati dall'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy riporta la scoperta di un nuovo tipo di transizione di fase quantistica. Questa transizione unica avviene in un punto critico quantistico elastico, o QCP, dove la transizione di fase non è guidata dall'energia termica ma invece dalle fluttuazioni quantistiche degli atomi stessi.

I ricercatori hanno utilizzato una combinazione di tecniche di diffrazione dei raggi X e dei neutroni, insieme alle misurazioni della capacità termica, per rivelare come si può trovare un QCP elastico in un materiale lantanio-rame semplicemente aggiungendo un po' d'oro.

Le transizioni di fase associate ai QCP si verificano a una temperatura vicina allo zero assoluto (circa meno 460 gradi Fahrenheit), e sono tipicamente guidati a quella temperatura tramite fattori quali pressione, campi magnetici, o sostituendo sostanze chimiche o elementi aggiuntivi nel materiale.

"Studiamo i QCP perché i materiali mostrano molti comportamenti strani ed eccitanti vicino alla transizione di fase a temperatura zero che non possono essere spiegati dalla fisica classica, " ha detto l'autore principale Lekh Poudel, uno studente laureato dell'Università del Tennessee che lavora nella Quantum Condensed Matter Division dell'ORNL. "Il nostro obiettivo era esplorare la possibilità di un nuovo tipo di QCP in cui il movimento quantistico altera la disposizione degli atomi.

"La sua esistenza era stata teoricamente prevista, ma non c'era stata alcuna prova sperimentale fino ad ora, " ha detto. "Siamo i primi a stabilire che il QCP elastico esiste".

"Lo studio delle transizioni di fase quantistiche fa parte di uno sforzo più ampio per studiare i materiali quantistici che hanno il potenziale per essere utilizzati in dispositivi che ci spingono oltre i nostri attuali paradigmi tecnologici e ci forniscono funzionalità trasformative, " ha detto lo scienziato dello strumento ORNL Andrew Christianson.

"Le transizioni di fase quantistiche sono prototipi per generare nuove fasi quantistiche della materia. In questo senso, cerchiamo sempre di identificare nuovi tipi di transizioni di fase quantistiche in quanto sono uno dei modi in cui troviamo nuovi comportamenti della meccanica quantistica nei materiali".

Per comprendere meglio il comportamento unico del lantanio-rame-oro, il team ha utilizzato lo strumento diffrattometro a polvere di neutroni presso l'High Flux Isotope Reactor dell'ORNL, una struttura per l'utente dell'Office of Science del DOE, per caratterizzare la struttura del materiale, aggiungendo più oro alla composizione ad ogni misurazione successiva.

"I neutroni ci hanno permesso di guardare in profondità nel materiale a temperature estremamente basse per vedere dove si trovavano gli atomi e come si comportavano, " disse Poudel.

I ricercatori sapevano già che senza la presenza dell'oro, lantanio-rame subisce una transizione di fase a circa 370 gradi Fahrenheit, dove la struttura cristallina del sistema cambia al raffreddamento. Quando si aggiunge altro oro, la temperatura di transizione diminuisce in modo incrementale. Poudel e il team hanno continuato ad aggiungere altro oro fino a quando la temperatura di transizione non ha raggiunto quasi lo zero assoluto.

"Poiché gli atomi d'oro hanno un raggio atomico significativamente più grande degli atomi di rame, quando aggiungiamo oro al materiale, la mancata corrispondenza degli atomi all'interno della struttura cristallina sopprime la transizione di fase a una temperatura più bassa manipolando la deformazione interna della struttura. A temperatura prossima allo zero, dove l'energia termica non gioca più un ruolo nella transizione di fase, possiamo vedere gli effetti delle fluttuazioni quantistiche nel movimento degli atomi, " disse Poudel.

I ricercatori hanno anche eseguito misurazioni della capacità termica, che mostrava quanto calore era necessario per cambiare di qualche grado la temperatura del materiale e forniva informazioni sulle fluttuazioni del materiale.

"È importante che i risultati combinati mostrano che questo è il primo esempio di un potenziale QCP elastico, dove le scale dell'energia elettronica non hanno alcuna attinenza con le fluttuazioni quantistiche, " ha detto Andrew May, un ricercatore nella Divisione Scienza e Tecnologia dei Materiali dell'ORNL.

"Questo QCP elastico in LaCu6-xAux è un perfetto esempio di dove il comportamento fondamentale di un QCP può essere studiato senza la complicazione della carica degli elettroni, che probabilmente non sarebbe possibile in altri esempi di QCP, " disse Poudel. "Ora che li abbiamo trovati, possiamo studiare più da vicino le fluttuazioni microscopiche che guidano questa transizione di fase quantistica e applicare altre tecniche che ci daranno una maggiore profondità di conoscenza su questi comportamenti straordinari".

Della ricerca, David Mandrus, membro della facoltà congiunta dell'Università del Tennessee e dell'ORNL, ha dichiarato:"Questo lavoro è un ottimo esempio di come l'Università del Tennessee e l'ORNL possano collaborare per produrre scienza di prim'ordine e offrire un'opportunità educativa senza pari per uno studente di dottorato altamente motivato. Storie di successo come questa aiuteranno ad attirare più giovane talento in Tennessee, che andrà a beneficio sia dell'UTK che dell'ORNL."

Gli autori del documento includono Lekh Poudel, Andrea F. maggio, Michael R. Koehler, Michael A. McGuire, Saikat Mukhopadhyay, Stuart Calder, Ryan E. Baumbach, Rupam Mukherjee, Deepak Sapkota, Clarina dela Cruz, David J. Singh, David Mandrus e Andrew D Christianson.

Contributi complementari sono stati forniti dai Dipartimenti di Fisica e Astronomia e Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'Università del Tennessee, il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università del Missouri, il National High Magnetic Field Laboratory presso la Florida State University e l'Advanced Photon Source dell'Argonne National Laboratory, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

La ricerca è stata supportata dall'Office of Science del DOE, Centro di ricerca di frontiera energetica S3TEC del DOE, e la Fondazione Nazionale della Scienza.