Lorsque la matière passe des solides aux liquides aux vapeurs, les changements sont appelés transitions de phase. Parmi les types les plus intéressants, il y a les changements plus exotiques - les transitions de phase quantiques - où les propriétés étranges de la mécanique quantique peuvent provoquer des changements extraordinaires de manière curieuse.

Dans un article publié en Lettres d'examen physique , une équipe de chercheurs dirigée par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie rapporte la découverte d'un nouveau type de transition de phase quantique. Cette transition unique se produit à un point critique quantique élastique, ou QCP, où la transition de phase n'est pas entraînée par l'énergie thermique mais plutôt par les fluctuations quantiques des atomes eux-mêmes.

Les chercheurs ont utilisé une combinaison de techniques de diffraction des neutrons et des rayons X, ainsi que des mesures de capacité calorifique, pour révéler comment un QCP élastique peut être trouvé dans un matériau lanthane-cuivre en ajoutant simplement un peu d'or.

Les transitions de phase associées aux QCP se produisent à une température proche du zéro absolu (environ moins 460 degrés Fahrenheit), et sont généralement entraînés à cette température via des facteurs tels que la pression, champs magnétiques, ou en substituant des produits chimiques ou des éléments supplémentaires dans le matériau.

"Nous étudions les QCP parce que les matériaux présentent de nombreux comportements étranges et excitants près de la transition de phase à température zéro qui ne peuvent pas être expliqués par la physique classique, " a déclaré l'auteur principal Lekh Poudel, un étudiant diplômé de l'Université du Tennessee travaillant dans la division Quantum Condensed Matter de l'ORNL. "Notre objectif était d'explorer la possibilité d'un nouveau type de QCP où le mouvement quantique modifie la disposition des atomes.

« Son existence avait été théoriquement prédite, mais il n'y avait eu aucune preuve expérimentale jusqu'à présent, ", a-t-il déclaré. "Nous sommes les premiers à établir que le QCP élastique existe."

"L'étude des transitions de phase quantiques fait partie d'un effort plus large pour étudier les matériaux quantiques qui ont le potentiel d'être utilisés dans des dispositifs qui nous font dépasser nos paradigmes technologiques actuels et nous fournissent des fonctionnalités transformatrices, " a déclaré Andrew Christianson, spécialiste des instruments de l'ORNL.

"Les transitions de phase quantiques sont des prototypes pour générer de nouvelles phases quantiques de la matière. Dans cette veine, nous essayons toujours d'identifier de nouveaux types de transitions de phase quantiques, car c'est l'un des moyens par lesquels nous trouvons de nouveaux comportements de mécanique quantique dans les matériaux."

Pour mieux comprendre le comportement unique du lanthane-cuivre-or, l'équipe a utilisé l'instrument Neutron Powder Diffractometer du réacteur à isotope à haut flux de l'ORNL - une installation utilisateur du DOE Office of Science - pour caractériser la structure du matériau, ajouter plus d'or à la composition à chaque mesure ultérieure.

"Les neutrons nous ont permis de regarder profondément dans le matériau à des températures extrêmement basses pour voir où se trouvaient les atomes et comment ils se comportaient, " dit Poudel.

Les chercheurs savaient déjà que sans la présence d'or, le lanthane-cuivre subit une transition de phase à environ 370 degrés Fahrenheit, où la structure cristalline du système change lors du refroidissement. Quand plus d'or est ajouté, la température de transition chute progressivement. Poudel et l'équipe ont continué à ajouter plus d'or jusqu'à ce que la température de transition atteigne près du zéro absolu.

"Parce que les atomes d'or ont un rayon atomique significativement plus grand que les atomes de cuivre, quand on ajoute de l'or à la matière, le décalage des atomes à l'intérieur de la structure cristalline supprime la transition de phase à une température plus basse en manipulant la contrainte interne de la structure. A une température proche de zéro, où l'énergie thermique ne joue plus de rôle dans la transition de phase, nous pouvons voir les effets des fluctuations quantiques dans le mouvement des atomes, " dit Poudel.

Les chercheurs ont également effectué des mesures de capacité calorifique, qui montrait combien de chaleur était nécessaire pour changer la température du matériau de quelques degrés et fournissait des informations sur les fluctuations du matériau.

" Surtout, les résultats combinés montrent qu'il s'agit du premier exemple d'un potentiel QCP élastique, où les échelles d'énergie électroniques n'ont aucun rapport avec les fluctuations quantiques, " a déclaré Andrew May, chercheur à la Division Science et Technologie des Matériaux de l'ORNL.

"Ce QCP élastique dans LaCu6-xAux est un parfait exemple d'où le comportement fondamental d'un QCP peut être étudié sans la complication de la charge des électrons, ce qui ne serait probablement pas possible dans d'autres exemples de QCP, " dit Poudel. " Maintenant que nous les avons trouvés, nous pouvons étudier de plus près les fluctuations microscopiques à l'origine de cette transition de phase quantique et appliquer d'autres techniques qui nous donneront une connaissance plus approfondie de ces comportements extraordinaires."

De la recherche, David Mandrus, membre du corps professoral conjoint de l'Université du Tennessee et de l'ORNL, a déclaré :"Ce travail est un excellent exemple de la façon dont l'Université du Tennessee et l'ORNL peuvent s'associer pour produire une science de premier ordre et offrir une opportunité éducative inégalée à un doctorant très motivé. Des histoires de réussite comme celle-ci aideront à attirer plus jeune talent au Tennessee, qui profitera à la fois à l'UTK et à l'ORNL."

Les auteurs de l'article incluent Lekh Poudel, Andrew F. May, Michael R. Koehler, Michael A. McGuire, Saikat Mukhopadhyay, Stuart Calder, Ryan E. Baumbach, Rupam Mukherjee, Deepak Sapkota, Clarina dela Cruz, David  J. Singh, David Mandrus et Andrew D. Christianson.

Des contributions complémentaires ont été apportées par les départements de physique et d'astronomie et de science et ingénierie des matériaux de l'Université du Tennessee, le Département de physique et d'astronomie de l'Université du Missouri, le National High Magnetic Field Laboratory de la Florida State University et la Advanced Photon Source du Laboratoire national d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science.

La recherche a été soutenue par le Bureau des sciences du DOE, Centre de recherche S3TEC Energy Frontier du DOE, et la Fondation nationale des sciences.