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    L'acqua e i magneti quantistici condividono la fisica critica

    Credito:CC0 Dominio Pubblico

    In fisica, le cose esistono in fasi, come solido, stati liquidi e gassosi. Quando qualcosa passa da una fase all'altra, parliamo di una transizione di fase, come l'acqua che bolle in vapore, passando da liquido a gas.

    Nelle nostre cucine, l'acqua bolle a 100 gradi C, e la sua densità cambia drasticamente, facendo un salto discontinuo da liquido a gas. Però, se alziamo la pressione, aumenta anche il punto di ebollizione dell'acqua, fino a una pressione di 221 atmosfere dove bolle a 374 gradi C. Qui, accade qualcosa di strano:il liquido e il gas si fondono in un'unica fase. Al di sopra di questo "punto critico, "non c'è più affatto una transizione di fase, e quindi controllando la sua pressione, l'acqua può essere pilotata da liquido a gas senza mai attraversarne uno.

    Esiste una versione quantistica di una transizione di fase simile all'acqua? "Le direzioni attuali nel magnetismo quantistico e nella spintronica richiedono interazioni altamente spin-anisotropiche per produrre la fisica delle fasi topologiche e dei qubit protetti, ma queste interazioni favoriscono anche transizioni di fase quantistiche discontinue, " afferma il professor Henrik Rønnow della School of Basic Sciences dell'EPFL.

    Precedenti studi si sono concentrati su fluidi, transizioni di fase continue nei materiali magnetici quantistici. Ora, in un progetto sperimentale e teorico congiunto guidato da Rønnow e dal professor Frédéric Mila, anche alla Scuola di Scienze di Base, i fisici dell'EPFL e del Paul Scherrer Institute hanno studiato una transizione di fase discontinua per osservare il primo punto critico in assoluto in un magnete quantistico, simile a quello dell'acqua. L'opera è ora pubblicata in Natura .

    Gli scienziati hanno utilizzato un antiferromagnete quantistico, noto nel campo come SCBO (dalla sua composizione chimica:SrCu 2 (BO 3 ) 2 ). Gli antiferromagneti quantistici sono particolarmente utili per comprendere come gli aspetti quantistici della struttura di un materiale influenzino le sue proprietà complessive, ad esempio come interagiscono gli spin dei suoi elettroni per conferire le sue proprietà magnetiche. SCBO è anche un magnete "frustrato", il che significa che i suoi spin elettronici non possono stabilizzarsi in una struttura ordinata, e invece adottano alcuni stati fluttuanti unicamente quantistici.

    In un complesso esperimento, i ricercatori hanno controllato sia la pressione che il campo magnetico applicati a pezzi di milligrammi di SCBO. "Questo ci ha permesso di guardare tutto intorno alla transizione di fase quantistica discontinua e in questo modo abbiamo trovato la fisica dei punti critici in un sistema di spin puro, "dice Ronnow.

    Il team ha eseguito misurazioni ad alta precisione del calore specifico di SCBO, che ha mostrato la sua disponibilità ad assorbire energia. Per esempio, l'acqua assorbe solo piccole quantità di energia a -10 gradi C, ma a 0 gradi C e 100 gradi C, può assorbire enormi quantità poiché ogni molecola è guidata attraverso le transizioni dal ghiaccio al liquido e dal liquido al gas. Proprio come l'acqua, la relazione pressione-temperatura di SCBO forma un diagramma di fase che mostra una linea di transizione discontinua che separa due fasi magnetiche quantistiche, con la linea che termina in un punto critico.

    "Ora, quando viene applicato un campo magnetico, il problema diventa più ricco dell'acqua, " dice Frédéric Mila. "Nessuna delle fasi magnetiche è fortemente influenzata da un piccolo campo, così la linea diventa un muro di discontinuità in un diagramma di fase tridimensionale, ma poi una delle fasi diventa instabile e il campo aiuta a spingerla verso una terza fase."

    Per spiegare questo comportamento quantistico macroscopico, i ricercatori hanno collaborato con diversi colleghi, in particolare il professor Philippe Corboz dell'Università di Amsterdam, che hanno sviluppato nuove potenti tecniche informatiche.

    "In precedenza, non è stato possibile calcolare le proprietà dei magneti quantistici "frustrati" in un modello realistico a due o tre dimensioni, " dice Mila. "Quindi SCBO fornisce un esempio tempestivo in cui i nuovi metodi numerici incontrano la realtà per fornire una spiegazione quantitativa di un fenomeno nuovo per il magnetismo quantistico".

    Henrik Rønnow conclude:"Guardando avanti, la prossima generazione di materiali quantistici funzionali passerà attraverso transizioni di fase discontinue, quindi una corretta comprensione delle loro proprietà termiche includerà sicuramente il punto critico, la cui versione classica è nota alla scienza da due secoli."


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