Абсолютната нула предизвиква квантови преобразувания

Нагряването на вещество предизвиква класически фазови преобразувания – от твърдо в течно и газообразно.

Но когато температурата спада, може да се случат някои странни неща – ако фазовите преходи протичат при най-ниски температури, фините колебания могат рязко да изменят материала.

Учените от Брукхейвънската национална лаборатория на Министерството на енергетиката на САЩ съвместно с колеги от университета „Стоуни Брук“ в Ню Йорк са изследвали поведението на материали при екстремно ниски температури, за да изучат квантовите фазови преходи с безпрецедентна точност.

„В такива студени условия електронните, магнитните и термодинамичните характеристики на металните материали се определят от тези неуловими квантови флуктуации“, казва физикът Мейгън Аронсън.

Учените наблюдавали за възникването на феромагнетизъм в съединение на итрий, желязо и алуминий (YFe₂Al₁₀) при температура около абсолютната нула. Изследването предоставя нови методи за определяне на материали с такива мощни и неочаквани свойства като свръхпроводимост – способност да се провежда електричество с максимална ефективност.

„Задълбоченото изучаване на този квантов фазов преход позволява да се прогнозира и потенциално да се увеличи производителността на нови материали в тяхното практическо приложение, което досега беше само теоретично“, уверява физикът Алексей Цвелик.

Наличието на топлина усложнява така наречените критични квантови колебания, затова учените са провели експеримента при максимално ниска температура.

„Законите на термодинамиката правят абсолютната нула непостижима, но квантовите фазови преходи може да се наблюдават при близки до нея температури. И все пак, за да изучим пълноценно квантовомеханичната природа, ние трябва да постигнем температура около -273 °C – много по-студено от температурата на течния хелий или дори на междузвездното пространство“, казва Аронсън.

В резултат термодинамичните и магнитните измервания показали, че YFe₂Al₁₀ става феромагнитно именно около абсолютната нула – за разлика от желязото, което се явява феромагнитно при температура, значително по-висока от стайната.

Изследването на учените е публикувано в сп. PNAS.