p Quando a matéria muda de sólidos para líquidos e vapores, as mudanças são chamadas de transições de fase. Entre os tipos mais interessantes estão as mudanças mais exóticas - transições de fase quântica - onde as estranhas propriedades da mecânica quântica podem provocar mudanças extraordinárias de maneiras curiosas. p Em um artigo publicado em Cartas de revisão física , uma equipe de pesquisadores liderada pelo Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia relata a descoberta de um novo tipo de transição de fase quântica. Esta transição única acontece em um ponto crítico quântico elástico, ou QCP, onde a transição de fase não é impulsionada pela energia térmica, mas sim pelas flutuações quânticas dos próprios átomos.

p Os pesquisadores usaram uma combinação de técnicas de difração de nêutrons e raios-X, junto com medições de capacidade de calor, para revelar como um QCP elástico pode ser encontrado em um material de cobre-lantânio simplesmente adicionando um pouco de ouro.

p As transições de fase associadas aos QCPs acontecem em temperatura quase zero absoluta (cerca de 460 graus Fahrenheit negativos), e são normalmente conduzidos a essa temperatura por meio de fatores como pressão, Campos magnéticos, ou substituindo produtos químicos ou elementos adicionais no material.

p "Nós estudamos QCPs porque os materiais exibem muitos comportamentos estranhos e excitantes perto da transição de fase de temperatura zero que não podem ser explicados pela física clássica, "disse o autor principal Lekh Poudel, um estudante de pós-graduação da Universidade do Tennessee que trabalha na Divisão de Matéria Condensada Quântica do ORNL. “Nosso objetivo era explorar a possibilidade de um novo tipo de QCP, onde o movimento quântico altera o arranjo dos átomos.

p "Sua existência foi teoricamente prevista, mas não havia nenhuma prova experimental até agora, "disse ele." Somos os primeiros a estabelecer que o QCP elástico existe. "

p "O estudo das transições de fase quântica é parte de um esforço maior para estudar materiais quânticos que têm o potencial de serem usados ​​em dispositivos que nos movem além de nossos paradigmas de tecnologia atuais e nos fornecem funcionalidades transformadoras, "disse o cientista de instrumentos do ORNL, Andrew Christianson.

p "As transições de fase quântica são protótipos para gerar novas fases quânticas da matéria. Nesse sentido, estamos sempre tentando identificar novos tipos de transições de fase quântica, pois são uma das maneiras de encontrar novos comportamentos da mecânica quântica nos materiais. "

p Para entender melhor o comportamento único do lantânio-cobre-ouro, a equipe usou o instrumento Neutron Powder Diffractometer no High Flux Isotope Reactor do ORNL - um DOE Office of Science User Facility - para caracterizar a estrutura do material, adicionando mais ouro à composição a cada medição subsequente.

p "Os nêutrons nos permitiram olhar profundamente no material em temperaturas extremamente baixas para ver onde os átomos estavam e como eles se comportavam, "Disse Poudel.

p Os pesquisadores já sabiam que sem a presença de ouro, o cobre-lantânio sofre uma transição de fase em cerca de 370 graus Fahrenheit, onde a estrutura cristalina do sistema muda com o resfriamento. Quando mais ouro é adicionado, a temperatura de transição cai gradativamente. Poudel e a equipe continuaram adicionando mais ouro até que a temperatura de transição chegasse perto do zero absoluto.

p "Como os átomos de ouro têm um raio atômico significativamente maior do que os átomos de cobre, quando adicionamos ouro ao material, a incompatibilidade de átomos dentro da estrutura cristalina suprime a transição de fase para uma temperatura mais baixa, manipulando a tensão interna da estrutura. Em temperatura próxima de zero, onde a energia térmica não desempenha mais um papel na transição de fase, podemos ver os efeitos das flutuações quânticas no movimento dos átomos, "Disse Poudel.

p Os pesquisadores também realizaram medições de capacidade de calor, que mostrou quanto calor era necessário para mudar a temperatura do material em alguns graus e forneceu informações sobre as flutuações no material.

p "Importante, os resultados combinados mostram que este é o primeiro exemplo de um potencial QCP elástico, onde as escalas eletrônicas de energia não têm qualquer relevância para as flutuações quânticas, "disse Andrew May, pesquisador na Divisão de Ciência e Tecnologia de Materiais do ORNL.

p "Este QCP elástico em LaCu6-xAux é um exemplo perfeito de onde o comportamento fundamental de um QCP pode ser estudado sem a complicação da carga dos elétrons, o que provavelmente não seria possível em outros exemplos de QCPs, "disse Poudel." Agora que os encontramos, podemos estudar mais de perto as flutuações microscópicas que impulsionam essa transição de fase quântica e aplicar outras técnicas que nos darão um conhecimento mais profundo sobre esses comportamentos extraordinários. "

p Da pesquisa, David Mandrus, membro do corpo docente da Universidade do Tennessee e do ORNL, disse:"Este trabalho é um ótimo exemplo de como a Universidade do Tennessee e o ORNL podem se unir para produzir ciência de primeira linha e oferecer uma oportunidade educacional inigualável para um aluno de doutorado altamente motivado. Histórias de sucesso como essa ajudarão a atrair mais jovem talento para o Tennessee, que beneficiará o UTK e o ORNL. "

p Os autores do artigo incluem Lekh Poudel, Andrew F. May, Michael R. Koehler, Michael A. McGuire, Saikat Mukhopadhyay, Stuart Calder, Ryan E. Baumbach, Rupam Mukherjee, Deepak Sapkota, Clarina dela Cruz, David J. Singh, David Mandrus e Andrew D. Christianson.

p Contribuições complementares foram feitas pelos Departamentos de Física e Astronomia e Ciência de Materiais e Engenharia da Universidade do Tennessee, o Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Missouri, o National High Magnetic Field Laboratory da Florida State University e o Argonne National Laboratory's Advanced Photon Source, um DOE Office of Science User Facility.

p A pesquisa foi apoiada pelo Office of Science do DOE, S3TEC Energy Frontier Research Center do DOE, e a National Science Foundation.