Figura 1:diagramma di fase dell'acqua, che mostra l'inizio della transizione del primo ordine e la coesistenza di stati liquidi e gassosi lungo la linea nera. La transizione termina nel punto critico, contrassegnato da una stella. Credito:Julio Larrea, adattato da immagine pubblicata in Natura
I sistemi quantistici puri possono subire transizioni di fase analoghe alla classica transizione di fase tra gli stati liquido e gassoso dell'acqua. A livello quantistico, però, gli spin delle particelle negli stati che emergono dalle transizioni di fase mostrano un comportamento entangled collettivo. Questa osservazione inaspettata offre una nuova strada per la produzione di materiali con proprietà topologiche utili nelle applicazioni di spintronica e nel calcolo quantistico.
La scoperta è stata fatta da una collaborazione internazionale guidata da Julio Larrea, un professore presso l'Istituto di Fisica dell'Università di San Paolo (IF-USP) in Brasile. Larrea è il primo autore di un articolo sullo studio pubblicato su Natura .
"Abbiamo ottenuto la prima prova sperimentale di una transizione di fase quantistica del primo ordine in un sistema quasi bidimensionale costituito interamente da spin. È stato uno studio rivoluzionario in termini sia di sviluppo sperimentale che di interpretazione teorica, " ha detto Larre.
Per comprendere il significato di questa scoperta, aiuterà ad esaminare la classica transizione di fase, che può essere esemplificato dal cambiamento dello stato dell'acqua, e il suo analogo quantistico, esemplificato dalla transizione metallo-isolante di Mott.
"Il cambiamento dello stato dell'acqua, che si verifica a 100 °C a pressione atmosferica standard, è ciò che chiamiamo transizione del primo ordine. È caratterizzato da un salto discontinuo nella densità delle molecole. In altre parole, il numero di molecole d'acqua per unità di volume varia drasticamente tra uno stato e l'altro, " Ha detto Larrea. "Questa transizione discontinua del primo ordine evolve in accordo con la pressione e la temperatura fino a quando non è completamente soppressa nel cosiddetto punto critico dell'acqua, che avviene a 374 °C e 221 bar. Nel punto critico, la transizione è di secondo ordine, cioè continuo."
In prossimità del punto critico, le proprietà dell'acqua si comportano in modo anomalo, perché le fluttuazioni di densità sono infinitamente correlate sulla scala delle lunghezze atomiche. Di conseguenza, il materiale manifesta uno stato unico che differisce sia da un gas che da un liquido (vedi Figura 1).
Figura 2:SrCu 2 (BO 3 ) 2 diagramma di fase del sistema di spin, che mostra l'inizio della transizione del primo ordine allo zero assoluto. La transizione del primo ordine termina nel punto critico, analogamente al diagramma dell'acqua. Però, a differenza di quanto accade con l'acqua, nel sistema di spin emerge un nuovo stato ordinato puramente quantistico e fortemente correlato:lo stato antiferromagnetico. Credito:Julio Larrea, adattato da immagine pubblicata in Natura
"Nella materia quantistica, la transizione Mott metallo-isolante è un raro esempio di transizione del primo ordine. A differenza dei metalli ordinari e degli isolanti, che hanno elettroni liberi che non interagiscono, uno stato di Mott implica una forte interazione tra le cariche degli elettroni, configurare il comportamento collettivo, " ha spiegato Larrea. "Le scale energetiche di queste interazioni sono molto basse, quindi una transizione di fase quantistica di primo ordine tra un metallo e un isolante può avvenire allo zero assoluto, che è la temperatura più bassa possibile. L'interazione tra le cariche varia con la temperatura e la pressione fino a quando non viene soppressa nel punto critico. Man mano che il punto critico si avvicina, densità di carica del volume, che è la quantità di carica per unità di volume, subisce un cambiamento così brusco da poter indurre nuovi stati della materia come la superconduttività."
Nei due esempi citati, i fenomeni coinvolgono particelle massicce come molecole d'acqua ed elettroni. La domanda posta dai ricercatori era se il concetto di transizione di fase potesse essere esteso a sistemi quantistici privi di massa, come un sistema composto esclusivamente da spin (inteso come manifestazione quantistica di materia associata a stati magnetici). Una situazione del genere non era mai stata osservata prima.
"Il materiale che abbiamo usato era un antiferromagnete quantistico frustrato SrCu 2 (BO 3 ) 2 , " Ha detto Larrea. "Abbiamo misurato il calore specifico di piccoli campioni in condizioni di temperatura estreme contemporaneamente [a 0,1 kelvin], pressione [fino a 27 kilobar] e campo magnetico [fino a 9 tesla]. Il calore specifico è una proprietà fisica che ci dà una misura dell'energia interna nel sistema, e da questo, possiamo dedurre diversi tipi di stato quantistico ordinato o disordinato, e possibili stati elettronici o stati di spin entangled."
Ottenere queste misurazioni con la precisione richiesta per rivelare stati quantistici correlati, utilizzando campioni sottoposti a temperature estremamente basse, alte pressioni e forti campi magnetici, è stata una formidabile sfida sperimentale, secondo Larrea. Gli esperimenti sono stati condotti a Losanna, Svizzera, presso il Laboratorio di Magnetismo Quantico della Scuola Politecnica Federale di Losanna (LQM-EPFL), guidato da Henrik Rønnow. La precisione delle misurazioni ha motivato i collaboratori teorici, guidato da Frédéric Mila (EPFL) e Philippe Corboz (Università di Amsterdam), sviluppare metodi computazionali all'avanguardia con cui interpretare le diverse anomalie osservate.
"I nostri risultati hanno mostrato manifestazioni inaspettate di transizioni di fase quantistiche in sistemi di spin puro, " disse Larrea. "Prima, abbiamo osservato una transizione di fase quantistica tra due diversi tipi di stato di spin entangled, lo stato dimero [spin correlati a due siti atomici] e lo stato di piastrine [spin correlati a quattro siti atomici]. Questa transizione del primo ordine termina nel punto critico, ad una temperatura di 3,3 kelvin e una pressione di 20 kilobar. Sebbene i punti critici dell'acqua e dello SrCu 2 (BO 3 ) 2 spin system hanno caratteristiche simili, gli stati che emergono in prossimità del punto critico del sistema di spin rispettano una diversa descrizione della fisica, del tipo Ising." Il termine Ising si riferisce a un modello di meccanica statistica chiamato per il fisico tedesco Ernst Ising (1900-98).
"Abbiamo anche osservato che questo punto critico ha una discontinuità nella densità delle particelle magnetiche, con triplette o stati correlati in diverse configurazioni di orientamento di spin, portando all'emergere di uno stato antiferromagnetico puramente quantistico, " ha detto Larrea (vedi Figura 2).
Il prossimo passo per Larrea è scoprire di più sulla criticità e sugli stati di spin entangled che emergono in prossimità del punto critico, la natura delle transizioni di fase quantistiche discontinue e continue, e le scale energetiche che rappresentano le interazioni e le correlazioni tra gli spin degli elettroni e le cariche che portano a stati quantistici come la superconduttività. "A tal fine, abbiamo in programma di condurre uno studio con pressioni intorno al punto critico e pressioni più elevate, " ha detto. Una nuova struttura, il Laboratorio per la materia quantistica in condizioni estreme (LQMEC), sta nascendo a questo scopo in collaborazione con Valentina Martelli, professore presso il Dipartimento di Fisica Sperimentale dell'IF-USP.
