Figura 1:Diagrama da fase da água, mostrando o início da transição de primeira ordem e a coexistência dos estados líquido e gasoso ao longo da linha preta. A transição termina no ponto crítico, marcado com uma estrela. Crédito:Julio Larrea, adaptado de imagem publicada em Natureza
Os sistemas quânticos puros podem sofrer transições de fase análogas à transição de fase clássica entre os estados líquido e gasoso da água. No nível quântico, Contudo, a partícula gira em estados que emergem das transições de fase e exibem um comportamento emaranhado coletivo. Esta observação inesperada oferece um novo caminho para a produção de materiais com propriedades topológicas que são úteis em aplicações de spintrônica e computação quântica.
A descoberta foi feita por uma colaboração internacional liderada por Julio Larrea, professor do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP) no Brasil. Larrea é o primeiro autor de um artigo sobre o estudo publicado em Natureza .
"Obtivemos a primeira evidência experimental de uma transição de fase quântica de primeira ordem em um sistema quase bidimensional consistindo inteiramente de spins. Foi um estudo inovador em termos de desenvolvimento experimental e interpretação teórica. "Larrea disse.
Para entender o significado desta descoberta, vai ajudar a examinar a transição de fase clássica, que pode ser exemplificado pela mudança no estado da água, e seu análogo quântico, exemplificado pela transição metal-isolante de Mott.
“A mudança no estado da água, que ocorre a 100 ° C sob pressão atmosférica padrão, é o que chamamos de transição de primeira ordem. É caracterizada por um salto descontínuo na densidade da molécula. Em outras palavras, o número de moléculas de água por unidade de volume varia drasticamente entre um estado e outro, "Larrea disse." Esta transição descontínua de primeira ordem evolui de acordo com a pressão e a temperatura até que seja totalmente suprimida no chamado ponto crítico da água, que ocorre a 374 ° C e 221 bar. No ponto crítico, a transição é de segunda ordem, ou seja, contínua. "
Nas proximidades do ponto crítico, as propriedades da água se comportam de forma anômala, porque as flutuações de densidade são infinitamente correlacionadas na escala de comprimento atômico. Como resultado, o material manifesta um estado único que difere tanto de um gás quanto de um líquido (veja a Figura 1).
Figura 2:SrCu 2 (BO 3 ) 2 diagrama de fase do sistema de rotação, mostrando o início da transição de primeira ordem em zero absoluto. A transição de primeira ordem termina no ponto crítico, analogamente ao diagrama da água. Contudo, ao contrário do que acontece com a água, no sistema de spin, surge um novo estado ordenado que é puramente quântico e fortemente correlacionado:o estado antiferromagnético. Crédito:Julio Larrea, adaptado de imagem publicada em Natureza
"Na matéria quântica, a transição isolante de metal de Mott é um raro exemplo de transição de primeira ordem. Ao contrário de metais comuns e isolantes, que têm elétrons livres que não interagem, um estado de Mott envolve forte interação entre cargas de elétrons, configurando o comportamento coletivo, "Larrea explicou." As escalas de energia dessas interações são muito baixas, portanto, uma transição de fase quântica de primeira ordem entre um metal e um isolador pode acontecer no zero absoluto, que é a temperatura mais baixa possível. A interação entre as cargas varia com a temperatura e a pressão até que seja suprimida no ponto crítico. Conforme o ponto crítico se aproxima, densidade de carga de volume, que é a quantidade de carga por unidade de volume, sofre uma mudança tão abrupta que pode induzir novos estados da matéria, como a supercondutividade. "
Nos dois exemplos mencionados, os fenômenos envolvem partículas massivas, como moléculas de água e elétrons. A questão colocada pelos pesquisadores era se o conceito de transição de fase poderia ser estendido para sistemas quânticos sem massa, tal como um sistema feito exclusivamente de spins (entendido como uma manifestação quântica de matéria associada a estados magnéticos). Uma situação desse tipo nunca havia sido observada antes.
"O material que usamos era um antiferromagneto quântico frustrado SrCu 2 (BO 3 ) 2 , "Larrea disse." Medimos o calor específico de pequenas amostras sob condições extremas de temperatura simultaneamente [para 0,1 kelvin], pressão [a 27 kilobar] e campo magnético [a 9 tesla]. O calor específico é uma propriedade física que nos dá uma medida da energia interna do sistema, e a partir disso, podemos inferir diferentes tipos de estado quântico ordenado ou desordenado, e possíveis estados eletrônicos ou estados de spin emaranhados. "
A obtenção dessas medições com a precisão necessária para revelar estados quânticos correlacionados, usando amostras submetidas a temperaturas extremamente baixas, altas pressões e fortes campos magnéticos, foi um desafio experimental formidável, de acordo com Larrea. Os experimentos foram realizados em Lausanne, Suíça, no Laboratório de Magnetismo Quântico da Escola Politécnica Federal de Lausanne (LQM-EPFL), chefiado por Henrik Rønnow. A precisão das medições motivou os colaboradores teóricos, liderado por Frédéric Mila (EPFL) e Philippe Corboz (Universidade de Amsterdã), desenvolver métodos computacionais de última geração para interpretar as diferentes anomalias observadas.
"Nossos resultados mostraram manifestações inesperadas de transições de fase quântica em sistemas puros de spin, "Larrea disse." Primeiro, observamos uma transição de fase quântica entre dois tipos diferentes de estado de spin emaranhado, o estado dímero [spins correlacionados em dois sítios atômicos] e o estado de plaqueta [spins correlacionados em quatro sítios atômicos]. Essa transição de primeira ordem termina no ponto crítico, a uma temperatura de 3,3 kelvin e pressão de 20 kilobar. Embora os pontos críticos de água e o SrCu 2 (BO 3 ) 2 sistema de rotação tem características semelhantes, os estados que emergem perto do ponto crítico do sistema de spin obedecem a uma descrição diferente da física, do tipo Ising. "O termo Ising se refere a um modelo de mecânica estatística com o nome do físico alemão Ernst Ising (1900-98).
“Também observamos que este ponto crítico apresenta uma descontinuidade na densidade de partículas magnéticas, com trigêmeos ou estados correlacionados em diferentes configurações de orientação de rotação, levando ao surgimento de um estado antiferromagnético puramente quântico, "Larrea disse (ver Figura 2).
O próximo passo para Larrea é descobrir mais sobre a criticidade e os estados de spin emaranhados que emergem nas proximidades do ponto crítico, a natureza das transições de fase quântica descontínuas e contínuas, e as escalas de energia que representam as interações e correlações entre spins e cargas de elétrons que levam a estados quânticos, como a supercondutividade. "Para este fim, planejamos realizar um estudo com pressões em torno do ponto crítico e pressões mais altas, "disse ele. Uma nova instalação, o Laboratório de Matéria Quântica em Condições Extremas (LQMEC), está sendo criada para esse fim em colaboração com Valentina Martelli, professora titular do Departamento de Física Experimental do IF-USP.
