Что общего между температурой таяния льда и критической температурой сверхпроводников? Строго говоря, ничего. И тем не менее квантовый фазовый переход по своей загадочности весьма близок к фазовому переходу, при котором лёд превращается в жидкость. Часто совершенно неясно, почему и тот и другой происходят. И чтобы лучше понять, что есть квантовый фазовый переход, физики под руководством Мануэля Брандо (Manuel Brando) из Института химической физики твёрдых тел им. Макса Планка в Дрездене (ФРГ) создали материал, который при температурах, близких к критическим, сам «не знает», происходит ли в нём фазовый переход в магнитное состояние или нет.

В качестве подопытной «мыши», указывающей на то, прошёл ли материал состояние квантового фазового перехода, исследователи используют возникновение ферромагнитного состояния — сходного с тем, что можно наблюдать в обыкновенных магнитах.

Для железа переход от почти немагнитного (парамагнитного) состояния в ферромагнитное (как у привычного бытового магнита) происходит при 1 043 K (~770 °С). Однако в новом материале — YbNi4P2 — точка такого фазового перехода (она же точка Кюри) расположена куда ниже — ниже, чем для всех ранее известных материалов. Она близка к абсолютному нулю.

За возникновение ферромагнетизма при этой температуре отвечают атомы иттербия в кристаллической решётке YbNi4P2. Они ведут себя подобно крохотным частицам магнита, способным вращаться. Их спины, ответственные за генерацию ферромагнетизма, «чувствуют» друг друга. В нормальных ферромагнитах такие спины выстроены в одном направлении, и именно их коллективная упорядоченность позволяет возникать ферромагнетизму. А в YbNi4P2 фазовый переход II рода проявляется при столь низкой температуре, что на процессы всё ещё влияет принцип неопределённости Гейзенберга. Именно он и делает новый материал уникальным.

исследовательская установка
исследовательская установка

Вообще говоря, при температурах, близких к абсолютному нулю, такой фазовый переход не должен возникать: ничего не должно двигаться, а спины электронов не должны меняться, позволяя веществу переключаться между парамагнитным и ферромагнитным состояниями. Однако из-за принципа неопределённости энергии электронов данном материале не могут быть точно определены, а потому, вопреки низкой температуре, вроде бы запрещающей их движение, электроны всё ещё могут вращаться.

Таким образом, исследователи впервые наблюдали квантовую критическую точку между ферромагнитным и немагнитным состояниями в металле. Стандартные теории исключали возможность такого явления, а потому должны быть скорректированы. Исследования такого рода, полагают немецкие учёные, могут внести весомый вклад в разработку высокотемпературных сверхпроводников.