Nella fisica classica, le cose accadono in "fasi", come quella solida, liquida o gassosa. Quando qualcosa passa da una fase all'altra, parliamo di una "transizione di fase", come l'acqua che bolle in vapore, passando da liquido a gas. Nelle nostre cucine l'acqua bolle a 100°C e la sua densità cambia drasticamente, facendo un salto discontinuo dal liquido al gas. Tuttavia, se alziamo la pressione, aumenta anche il punto di ebollizione dell'acqua, fino a una pressione di 221 atmosfere dove bolle a 374°C. Qui accade qualcosa di strano: il liquido e il gas si fondono in un'unica fase. Al di sopra di questo "punto critico", non c'è più una transizione di fase, e quindi controllando la sua pressione l'acqua può essere guidata dal liquido al gas senza mai attraversarne uno.
Studi precedenti si sono concentrati su transizioni di fase continue nei materiali magnetico-quantistici. Ora, in un progetto sperimentale e teorico congiunto guidato dal professor Henrik Rønnow dal professor Frédéric Mila, entrambi della School of Basic Sciences della EPFL in collaborazione con fisici del Paul Scherrer Institute hanno studiato una transizione di fase discontinua simile a quella dell'acqua per osservare il primo punto critico in assoluto in un magnete quantistico.
Gli scienziati hanno usato un "antiferromagnete quantistico", noto nel campo come SCBO (dalla sua composizione chimica: SrCu2(BO3)2). Gli antiferromagneti quantistici sono particolarmente utili per capire come gli aspetti quantistici della struttura di un materiale influenzino le sue proprietà complessive – ad esempio, come gli spin dei suoi elettroni interagiscano per dare le sue proprietà magnetiche. SCBO è anche un magnete "frustrato", il che significa che i suoi spin elettronici non possono stabilizzarsi in una struttura ordinata, e invece adottano alcuni stati fluttuanti quantistici unici.
Il team ha eseguito misurazioni ad alta precisione del calore specifico di SCBO, che mostra la sua prontezza a "succhiare energia". Ad esempio, l'acqua assorbe solo piccole quantità di energia a -10o°C, ma a 0°C e 100°C può occupare enormi quantità poiché ogni molecola viene guidata attraverso le transizioni dal ghiaccio al liquido e dal liquido al gas. Proprio come l'acqua, la relazione pressione-temperatura di SCBO forma un diagramma di fase che mostra una linea di transizione discontinua che separa due fasi magnetiche quantistiche, con la linea che termina in un punto critico.
"Ora, quando viene applicato un campo magnetico, il problema diventa più complesso rispetto all'acqua", ha spiegato Mila. "Nessuna delle due fasi magnetiche è fortemente influenzata da un piccolo campo, quindi la linea diventa un muro di discontinuità in un diagramma di fase tridimensionale, ma poi una delle fasi diventa instabile e il campo aiuta a spingerla verso una terza fase".
Per spiegare questo comportamento quantistico macroscopico, i ricercatori hanno collaborato con diversi colleghi, in particolare il professor Philippe Corboz dell'Università di Amsterdam, che hanno sviluppato nuove potenti tecniche basate su computer. "In precedenza non era possibile calcolare le proprietà dei magneti quantistici 'frustrati' in un modello realistico bidimensionale o tridimensionale", afferma Mila. "Quindi SCBO fornisce un esempio tempestivo in cui i nuovi metodi numerici incontrano la realtà per fornire una spiegazione quantitativa di un fenomeno nuovo al magnetismo quantistico".
"Guardando al futuro, la prossima generazione di materiali quantistici funzionali sarà commutata attraverso transizioni di fase discontinue, quindi una corretta comprensione delle loro proprietà termiche includerà sicuramente il punto critico, la cui versione classica è nota alla scienza da due secoli", ha concluso Rønnow.