Rappresentazione schematica del diagramma di fase "Temperatura T rispetto al campo magnetico esterno B", per una transizione di fase quantistica sotto l'applicazione di un campo magnetico esterno. In un), il punto critico quantistico (azzurro) subisce una transizione di fase quando il campo magnetico esterno raggiunge un certo valore critico. In (b), un ipotetico punto critico quantistico è mostrato per B =0 e T =0 (punto in rosso). Il gradiente rosso rappresenta il ruolo delle mutue interazioni tra momenti magnetici. Tali interazioni diventano sempre più rilevanti al diminuire della temperatura. La linea tratteggiata in entrambi i pannelli rappresenta le linee di transizione (crossover). Credito:FAPESP
Le transizioni di fase classiche sono regolate dalla temperatura. Uno degli esempi più familiari sono le transizioni di fase dell'acqua da solido a liquido a gas. Però, altri parametri regolano le transizioni di fase quando le temperature si avvicinano allo zero assoluto, compresa la pressione, il campo magnetico, e doping, che introducono disordine nella struttura molecolare di un materiale.
Questo argomento è trattato dal punto di vista teorico nell'articolo "Svelare la fisica delle interazioni reciproche nei paramagneti, " pubblicato in Rapporti scientifici .
Il paper è scaturito dalle discussioni svolte in laboratorio nell'ambito della ricerca di dottorato dei due principali autori, Lucas Squillante e Isys Mello, curato dall'ultimo autore, Mariano de Souza, un professore presso il Dipartimento di Fisica dell'Istituto di Geoscienze e Scienze esatte dell'Università statale di San Paolo (IGCE-UNESP) a Rio Claro, Brasile.
Gli altri coautori sono Roberto Eugenio Lagos Mônaco e Antonio Carlos Seridonio, anche professori dell'UNESP, e Harry Eugene Stanley, professore alla Boston University (USA).
Lo studio è stato sostenuto dalla Fondazione di ricerca di San Paolo—FAPESP tramite una sovvenzione assegnata al progetto "Esplorare le proprietà termodinamiche e di trasporto di sistemi di elettroni fortemente correlati, " per il quale Souza era l'investigatore principale.
"Nei materiali paramagnetici, c'è sempre un sottile contributo di molti corpi all'energia del sistema. Questo contributo può essere considerato un piccolo campo magnetico locale efficace. Di solito è trascurato, data la quantità molto piccola di energia ad esso associata rispetto all'energia associata alle fluttuazioni termiche o ai campi magnetici esterni.
Tuttavia, quando la temperatura e il campo magnetico esterno si avvicinano allo zero, tali contributi a più corpi diventano significativi, "Souza ha detto.
Lo studio ha mostrato che la materia tende sempre ad essere ordinata a basse temperature a causa delle interazioni a molti corpi. Il modello del gas di spin non interagente quindi non si verifica nel mondo reale perché un'interazione a molti corpi tra gli spin nel sistema imporrebbe un ordine.
"Abbiamo scoperto che nei materiali reali, non esiste un punto critico in cui si verifica una transizione di fase quantistica in un vero campo zero a causa della persistenza del campo magnetico residuo creato dall'interazione a molti corpi. In un contesto più ampio, la condensazione ideale di Bose-Einstein non può essere ottenuta a causa di questa interazione, " ha detto Suza.
Un condensato di Bose-Einstein, spesso indicato come il "quinto stato della materia" (gli altri sono solidi, liquido, gas e plasma), è un gruppo di atomi raffreddati all'interno di un capello di zero assoluto. Quando raggiungono quella temperatura, gli atomi non hanno energia libera per muoversi l'uno rispetto all'altro e cadere negli stessi stati quantistici, comportandosi come una singola particella.
I condensati di Bose-Einstein furono inizialmente previsti e calcolati teoricamente da Satyendra Nath Bose (1894-1974) e Albert Einstein (1879-1955) nel 1924, ma non è stato fino al 1995 che Eric A. Cornell, Carl E. Wieman e Wolfgang Ketterle sono riusciti a realizzarne uno utilizzando gas di rubidio ultrafreddo, per il quale tutti e tre hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 2001.
"Ciò che il nostro studio ha mostrato è che sebbene un condensato di Bose-Einstein non ideale possa essere ottenuto sperimentalmente, la condizione ideale per la condensazione non può essere raggiunta perché presuppone che le particelle non si percepiscano o interagiscano tra loro, mentre l'interazione residua si verifica sempre, anche in prossimità dello zero assoluto, " ha detto Suza.
"Un'altra scoperta è stata che la materia può essere magnetizzata adiabaticamente [senza perdita o guadagno di calore] solo attraverso queste interazioni reciproche".
