Le comuni transizioni di fase sono quelle che si verificano in funzione della variazione di temperatura. Il ghiaccio cambia fase per diventare acqua liquida a 0 gradi Celsius. L'acqua liquida cambia fase per diventare vapore acqueo a 100 gradi Celsius. Allo stesso modo, i materiali magnetici diventano non magnetici a temperature critiche. Però, ci sono anche transizioni di fase che non dipendono dalla temperatura. Si verificano in prossimità dello zero assoluto [-273,15 gradi Celsius] e sono associati a fluttuazioni quantistiche.

Uno studio che coinvolge esperimenti in condizioni estreme, soprattutto temperature ultra-basse e campi magnetici intensi, e accompagnato dall'interpretazione teorica dei risultati sperimentali ha esplorato questo tipo di situazione e ha studiato il punto critico quantistico manifestato in una transizione altamente insolita.

La ricercatrice italiana Valentina Martelli e il peruviano Julio Larrea, entrambi professori presso l'Istituto di Fisica dell'Università di San Paolo (IF-USP) in Brasile, partecipato allo studio, che è pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

La parte sperimentale, guidato dalla professoressa Silke Paschen, è stato condotto nei laboratori della Vienna University of Technology (TUW) in Austria. Il lavoro teorico è stato svolto da un gruppo guidato da Qimiao Si, Professore di Fisica e Astronomia alla Rice University negli Stati Uniti.

"Abbiamo trovato e interpretato prove di due successivi punti critici quantistici associati a una doppia rottura dell'effetto Kondo, " Ha detto Larre.

Chiamato per il fisico giapponese Jun Kondo (nato nel 1930), l'effetto Kondo spiega la formazione di fermioni pesanti nei composti metallici a base di elementi delle terre rare. In questi composti, gli elettroni si comportano collettivamente a causa della loro forte correlazione, formare un singoletto (un collettivo di particelle distinte che si comportano come una singola particella), che può essere rappresentato come l'accoppiamento del momento magnetico localizzato dello ione delle terre rare con l'elettrone di conduzione attorno ad esso. Questa quasi-particella può raggiungere masse fino a migliaia di volte la massa di un elettrone libero.

Nello studio qui descritto, la canottiera è stata spezzata due volte in due ordini magnetici:uno dipolare, risultante dal momento magnetico della quasi-particella, e l'altro quadrupolare, risultante dall'interazione tra i suoi orbitali elettronici.

L'esperimento è stato eseguito con il fermione pesante Ce3Pd20Si6, un composto di cerio (Ce), palladio (Pd) e silicio (Si). Larrea continuerà le indagini con il supporto della São Paulo Research Foundation attraverso il progetto "Un'indagine sugli stati quantistici topologici ed esotici in condizioni estreme".

"Il punto di partenza per queste transizioni sono le forti correlazioni tra gli elettroni e determinati materiali, che ci permettono di comprendere questo tipo di cambiamento di stato, " ha detto Larre.

"Vari tipi di interazione collettiva possono influenzare gli elettroni. Uno stato possibile è quello che chiamiamo "metallo strano". Nei fermioni pesanti, il trasporto degli elettroni è analogo a quello dei metalli ordinari, ma gli elettroni sono fortemente correlati e si comportano collettivamente come se formassero una singola quasi-particella, che trasporta la carica. Questo non è ciò che accade in una transizione di fase quantistica, quindi lo stato è chiamato "strano".

Il fenomeno si verifica a temperature estremamente basse molto vicine allo zero assoluto. Quando le temperature scendono così in basso, le fluttuazioni termodinamiche praticamente scompaiono, e si osservano fluttuazioni quantistiche, costituendo il "mezzo" in cui avvengono le interazioni tra gli elettroni.

"Fino alla pubblicazione del nostro studio, la maggior parte degli esperimenti di questo tipo si era concentrata su materiali in cui la correlazione elettronica porta a ciò che è noto come magnetismo elettronico simultaneamente itinerante e localizzato. Questi materiali appartengono al gruppo delle terre rare e comprendono i fermioni pesanti:'fermioni' perché gli elettroni hanno spin frazionario e obbediscono alla statistica di Fermi-Dirac; 'pesanti' perché correlano con una quasi-particella con grande massa effettiva, " ha detto Larre.

"Questi materiali hanno anche un momento magnetico, quindi oltre a una quasi-particella portatrice di carica, sono anche associati ad una quasi-particella con momento magnetico schermata o schermata dagli elettroni di conduzione. Ogni momento magnetico schermato può essere accoppiato al suo vicino nel reticolo cristallino, producendo un ordine magnetico in tutto il materiale. Nel caso di Ce3Pd20Si6, questo ordine è di tipo antiferromagnetico, il che significa che i momenti magnetici nel reticolo sono accoppiati in modo antiparallelo. Al punto critico quantistico, questo ordine magnetico può essere soppresso senza l'influenza di un parametro di controllo termodinamico ma applicando un campo magnetico. La canottiera Kondo si rompe, e l'elettrone che è stato accoppiato a questo ordine magnetico semplicemente si separa."

Questo non contraddice i fondamenti della meccanica quantistica, ma è molto diverso da quanto descritto nei libri di testo di fisica di base. Poiché il momento magnetico è definito rispetto allo spin, la soppressione dell'ordine magnetico crea una situazione in cui gli elettroni sembrano mancare di spin.

"Questo punto critico quantistico basato su un ordine magnetico era stato precedentemente riportato in altri articoli, " Disse Larrea. "La differenza nel nostro caso era che oltre all'ordine magnetico dipolare, il materiale mostrava anche un ordine magnetico quadrupolare generato dagli orbitali degli elettroni. Il nostro diagramma di fase, che è quasi una sintesi grafica dello studio, mostra quindi due punti critici quantistici:uno in cui l'ordine dipolare è interrotto, e l'altro in cui l'ordine quadrupolare è rotto."

Secondo Larrea, a parte questa scoperta, i risultati dello studio sono importanti anche in quanto contribuiscono alla comprensione di altri problemi irrisolti, come il modo in cui gli elettroni sono organizzati collettivamente per produrre superconduttività. "Serve un ordine collettivo per produrre il trasporto a lungo raggio, " ha detto. "Alcuni tipi di materiale con forti correlazioni tra gli elettroni possono fornire questo. Ora sappiamo che queste forti correlazioni possono essere soppresse per favorire la formazione di nuovi stati con proprietà fisiche misurabili, anche a temperature diverse dallo zero assoluto".

Il prossimo passo è estendere l'indagine sui cambiamenti nelle correlazioni elettroniche usando un diverso parametro di controllo, la pressione, in modo che sia possibile in futuro fare un uso tecnologico di questa conoscenza in aree come l'informatica quantistica.