Cuando la materia cambia de sólidos a líquidos a vapores, los cambios se denominan transiciones de fase. Entre los tipos más interesantes se encuentran los cambios más exóticos, las transiciones de fase cuántica, donde las propiedades extrañas de la mecánica cuántica pueden provocar cambios extraordinarios de formas curiosas..
en un artículo publicado en Cartas de revisión física , un equipo de investigadores dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía informa sobre el descubrimiento de un nuevo tipo de transición de fase cuántica. Esta transición única ocurre en un punto crítico cuántico elástico, o QCP, donde la transición de fase no esimpulsado por la energía térmica, sino por las fluctuaciones cuánticas de los átomos mismos.
Los investigadores utilizaron una combinación de técnicas de difracción de neutrones y rayos X, junto con mediciones de capacidad de calor, para revelar cómo se puede encontrar un QCP elástico en un material de cobre y lantano simplemente agregando un poco de oro.
Las transiciones de fase asociadas con los QCP ocurren a una temperatura cercana al cero absoluto aproximadamente menos 460 grados Fahrenheit, y generalmente se conducen a esa temperatura a través de factores como la presión, los campos magnéticos o al sustituir productos químicos o elementos adicionales en el material.
"Estudiamos QCP porque los materiales exhiben muchos comportamientos extraños y emocionantes cerca de la transición de fase de temperatura cero que no pueden explicarse por la física clásica", dijo el autor principal Lekh Poudel, un estudiante graduado de la Universidad de Tennessee que trabaja en la División de Materia Condensada Cuántica de ORNL"Nuestro objetivo era explorar la posibilidad de un nuevo tipo de QCP donde el movimiento cuántico altera la disposición de los átomos.
"Su existencia se había predicho teóricamente, pero hasta ahora no había habido ninguna prueba experimental", dijo. "Somos los primeros en establecer que el QCP elástico existe".
"El estudio de las transiciones de fase cuántica es parte de un esfuerzo mayor para estudiar materiales cuánticos que tienen el potencial de ser utilizados en dispositivos que nos llevan más allá de nuestros paradigmas tecnológicos actuales y nos proporcionan funcionalidades transformadoras", dijo el científico de instrumentos de ORNL Andrew Christianson"Las transiciones de fase cuántica son prototipos para generar nuevas fases cuánticas de materia. En ese sentido, siempre estamos tratando de identificar nuevos tipos de transiciones de fase cuántica, ya que son una de las formas en que encontramos nuevos comportamientos de mecánica cuántica en los materiales".
Para comprender mejor el comportamiento único del lantano-cobre-oro, el equipo utilizó el instrumento Difractómetro de polvo de neutrones en el Reactor de isótopos de alto flujo de ORNL, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE, para caracterizar la estructura del material, agregando más oro alcomposición con cada medición posterior.
"Los neutrones nos permitieron mirar profundamente en el material a temperaturas extremadamente bajas para ver dónde estaban los átomos y cómo se comportaban", dijo Poudel.
Los investigadores ya sabían que sin la presencia de oro, el cobre de lantano sufre una transición de fase de aproximadamente 370 grados Fahrenheit, donde la estructura cristalina del sistema cambia al enfriarse. Cuando se agrega más oro, la temperatura de transición cae de manera incremental. Poudel y el equipocontinuó agregando más oro hasta que la temperatura de transición alcanzó casi el cero absoluto.
"Debido a que los átomos de oro tienen un radio atómico significativamente mayor que los átomos de cobre, cuando agregamos oro al material, la falta de coincidencia de los átomos dentro de la estructura cristalina suprime la transición de fase a una temperatura más baja al manipular la tensión interna de la estructura. Cerca de cerotemperatura, donde la energía térmica ya no juega un papel en la transición de fase, podemos ver los efectos de las fluctuaciones cuánticas en el movimiento de los átomos ", dijo Poudel.
Los investigadores también realizaron mediciones de capacidad térmica, que mostraron cuánto calor se necesitaba para cambiar la temperatura del material unos pocos grados y proporcionaron información sobre las fluctuaciones en el material.
"Es importante destacar que los resultados combinados muestran que este es el primer ejemplo de un QCP elástico potencial, donde las escalas de energía electrónica no tienen ninguna relevancia para las fluctuaciones cuánticas", dijo Andrew May, investigador en Ciencia y Tecnología de Materiales de ORNLDivisión.
"Este QCP elástico en LaCu6-xAux es un ejemplo perfecto de dónde se puede estudiar el comportamiento fundamental de un QCP sin la complicación de la carga de los electrones, lo que probablemente no sería posible en otros ejemplos de QCP", dijo Poudel"Ahora que los hemos encontrado, podemos estudiar más de cerca las fluctuaciones microscópicas que impulsan esta transición de fase cuántica y aplicar otras técnicas que nos darán una mayor profundidad de conocimiento sobre estos comportamientos extraordinarios".
De la investigación, David Mandrus, miembro de la facultad conjunta de la Universidad de Tennessee y ORNL, dijo: "Este trabajo es un gran ejemplo de cómo la Universidad de Tennessee y ORNL pueden unirse para producir ciencia de primer nivel y ofrecer una oportunidad educativa inigualable para unestudiante de doctorado altamente motivado. Las historias de éxito como esta ayudarán a atraer más talento joven a Tennessee, lo que beneficiará tanto a UTK como a ORNL ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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