Высокая температура способствует классическому переходу фаз: твердое, жидкое, газообразное, но намного более странные вещи могут произойти, когда температура понижается.  Если фазовые переходы происходят при самых низких температурах, где царит квантовая механика, тонкие колебания могут существенно преобразовать материал.

Ученые из США исследовали холодную область абсолютного нуля, чтобы изолировать и прозондировать квантовые фазовые переходы с беспрецедентной точностью.

«В холодных условиях электронные, магнитные и термодинамические характеристики металлических материалов определяются неуловимыми квантовыми флуктуациями, — сказал соавтор исследования Мейгэн Аронсон. — Впервые мы имеем картину одного из самых фундаментальных электронных состояний без окружающего теплового ретуширования, усложняющего его свойства».

Ученые исследовали возникновение ферромагнетизма – той же самой магнитной поляризации, эксплуатируемой в современных электронных устройствах, электрических двигателях, и даже магнитах холодильника.

Исследование предоставляет методы, чтобы определить и понять новые материалы с мощными и неожиданными свойствами, включая сверхпроводимость — способность проводить электричество с большой эффективностью.

«Демонстрация этого квантового фазового перехода позволяет нам прогнозировать и потенциально повышать производительность новых материалов практическими способами, которые ранее были только теоретическими», — сказал соавтор исследования, физик Алексей Тсвелик.

Отображение квантовых пейзажей

Присутствие высокой температуры усложняет или пересиливает так называемые квантовые критические колебания, поэтому ученые провели эксперименты при самых низких температурах

«Законы термодинамики делают абсолютный ноль недостижимым, но квантовые фазовые переходы можно действительно наблюдать при температуре, отличной от нуля, — сказал Аронсон. — Тем не менее, для того, чтобы вывести полную квантово-механическую природу, мы должны достичь температуры до – 273?C, что намного холоднее, чем жидкий гелий или даже межзвездное пространство».

Исследователи использовали новое соединение иттрия, железа и алюминия (YFe2Al10), которое они обнаружили при поиске новых сверхпроводников.

«Наши термодинамические и магнитные измерения показали, что YFe2Al10 становится ферромагнитным точно при абсолютном нуле,  что в резком контрастирует с железом, которое является ферромагнетиком при температуре, значительно выше комнатной», — сказал Аронсон.

«Поскольку ферромагнетизм распадается с высокой температурой или приложением магнитного поля, мы использовали теорию определения пространственных и временных колебаний, которые стимулируют переход, — сказал Тсвелик. — Эта фундаментальная информация дает представление о других материалах».

Квантовые ключи к новым материалам

Ученые планируют изменить состав YFe2Al10 так, чтобы он становился ферромагнитным при ненулевой температуре.

«Прочное магнитное упорядочение обычно блокирует сверхпроводимость, но подавления этого состояния может достичь точного баланса квантовых флуктуаций, необходимых для реализации нетрадиционной сверхпроводимости, — сказал Тсвелик. — Этот вопрос вызывает большой экспериментальный и теоретический интерес, чтобы изолировать конкурирующие квантовые взаимодействия, которые способствуют магнетизму в одном случае и сверхпроводимости в другом».

Аронсон добавил: «Очень важно иметь больше примеров, показывающих нулевое температурное взаимодействие сверхпроводимости и магнетизма, поскольку мы развиваем целостное понимание того, как эти явления связаны и как мы могли бы управлять этими свойствами в материалах нового поколения».