Les transitions de phase courantes sont celles qui se produisent en fonction de la variation de température. La glace change de phase pour devenir de l'eau liquide à 0 degré Celsius. L'eau liquide change de phase pour devenir de la vapeur d'eau à 100 degrés Celsius. De la même manière, les matériaux magnétiques deviennent non magnétiques à des températures critiques. Cependant, il y a aussi des transitions de phase qui ne dépendent pas de la température. Ils se produisent au voisinage du zéro absolu [-273,15 degrés Celsius] et sont associés à des fluctuations quantiques.

Une étude impliquant des expérimentations dans des conditions extrêmes, en particulier des températures ultra basses et des champs magnétiques intenses, et accompagné d'une interprétation théorique des résultats expérimentaux ont exploré ce type de situation et étudié le point critique quantique manifesté dans une transition très inhabituelle.

la chercheuse italienne Valentina Martelli et le péruvien Julio Larrea, tous deux professeurs à l'Institut de physique de l'Université de São Paulo (IF-USP) au Brésil, participé à l'étude, qui est publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

La partie expérimentale, dirigé par le professeur Silke Paschen, a été menée dans les laboratoires de l'Université de technologie de Vienne (TUW) en Autriche. Le travail théorique a été réalisé par un groupe dirigé par Qimiao Si, Professeur de physique et d'astronomie à l'Université Rice aux États-Unis.

"Nous avons trouvé et interprété des preuves de deux points critiques quantiques successifs associés à une double panne de l'effet Kondo, " Larrea a dit.

Nommé en l'honneur du physicien japonais Jun Kondo (né en 1930), l'effet Kondo explique la formation de fermions lourds dans des composés métalliques à base d'éléments de terres rares. Dans ces composés, les électrons se comportent collectivement du fait de leur forte corrélation, formant un singulet (un collectif de particules distinctes qui se comportent comme une seule particule), qui peut être représenté comme le couplage du moment magnétique localisé de l'ion de terre rare avec l'électron de conduction qui l'entoure. Cette quasi-particule peut atteindre des masses jusqu'à des milliers de fois la masse d'un électron libre.

Dans l'étude décrite ici, le singulet a été brisé deux fois dans deux ordres magnétiques :un dipolaire, résultant du moment magnétique de la quasi-particule, et l'autre quadripolaire, résultant de l'interaction entre ses orbitales électroniques.

L'expérience a été réalisée avec le fermion lourd Ce3Pd20Si6, un composé de cérium (Ce), palladium (Pd) et silicium (Si). Larrea est sur le point de poursuivre les investigations avec le soutien de la Fondation de recherche de São Paulo via le projet "Une enquête sur les états quantiques topologiques et exotiques dans des conditions extrêmes".

"Le point de départ de ces transitions est les fortes corrélations entre les électrons et certains matériaux, qui permettent de comprendre ce type de changement d'état, " a déclaré Larrea.

"Différents types d'interactions collectives peuvent affecter les électrons. Un état possible est ce que nous appelons" métal étrange ". Dans les fermions lourds, le transport des électrons est analogue à celui des métaux ordinaires, mais les électrons sont fortement corrélés et se comportent collectivement comme s'ils formaient une seule quasi-particule, qui transporte la charge. Ce n'est pas ce qui se passe dans une transition de phase quantique, donc l'état est appelé « étrange ». Ce que nous avons observé expérimentalement, c'est que les propriétés physiques telles que la résistance électrique se comportent assez différemment du transport d'électrons classique dans les métaux.

Le phénomène se produit à des températures extrêmement basses très proches du zéro absolu. Lorsque les températures chutent aussi bas, les fluctuations thermodynamiques disparaissent pratiquement, et des fluctuations quantiques sont observées, constituant le "milieu" dans lequel se déroulent les interactions entre les électrons.

« Jusqu'à la publication de notre étude, la plupart des expériences de ce type se sont concentrées sur des matériaux dans lesquels la corrélation électronique conduit à ce que l'on appelle un magnétisme électronique à la fois itinérant et localisé. Ces matériaux appartiennent au groupe des terres rares et comprennent des fermions lourds :« fermions » car les électrons ont un spin fractionnaire et obéissent à la statistique de Fermi-Dirac; « lourds » car ils sont en corrélation avec une quasi-particule de grande masse effective, " a déclaré Larrea.

"Ces matériaux ont aussi un moment magnétique, donc en plus d'une quasi-particule porteuse de charge, ils sont également associés à une quasi-particule à moment magnétique blindée ou masquée par les électrons de conduction. Chaque moment magnétique blindé peut être couplé à son voisin dans le réseau cristallin, produisant un ordre magnétique dans tout le matériau. Dans le cas du Ce3Pd20Si6, cet ordre est du genre antiferromagnétique, ce qui signifie que les moments magnétiques dans le réseau sont couplés de manière anti-parallèle. Au point critique quantique, cet ordre magnétique peut être supprimé sans l'influence d'un paramètre de contrôle thermodynamique mais en appliquant un champ magnétique. Le débardeur Kondo tombe en panne, et l'électron qui était couplé à cet ordre magnétique se sépare simplement."

Cela ne contredit pas les fondements de la mécanique quantique, mais c'est très différent de ce qui est décrit dans les manuels de physique de base. Parce que le moment magnétique est défini par rapport au spin, la suppression de l'ordre magnétique crée une situation dans laquelle les électrons semblent manquer de spin.

"Ce point critique quantique basé sur un ordre magnétique avait déjà été rapporté dans d'autres articles, " Larrea a dit. " La différence dans notre cas était qu'outre l'ordre magnétique dipolaire, le matériau présentait également un ordre magnétique quadripolaire généré par les orbitales des électrons. Notre diagramme de phase, qui est presque un résumé graphique de l'étude, montre donc deux points critiques quantiques :l'un où l'ordre dipolaire est perturbé, et l'autre dans laquelle l'ordre quadripolaire est rompu."

Selon Larrea, à part cette découverte, les résultats de l'étude sont également importants dans la mesure où ils contribuent à la compréhension d'autres problèmes non résolus, comme la façon dont les électrons sont organisés collectivement pour produire de la supraconductivité. « Il faut une commande collective pour produire du transport longue distance, " at-il dit. " Certains types de matériaux avec de fortes corrélations entre les électrons peuvent fournir cela. On sait maintenant que ces fortes corrélations peuvent être supprimées pour favoriser la formation de nouveaux états aux propriétés physiques mesurables, même à des températures différentes du zéro absolu."

La prochaine étape consiste à étendre l'étude des changements dans les corrélations électroniques à l'aide d'un paramètre de contrôle différent, la pression, afin qu'il soit possible à l'avenir d'utiliser technologiquement ces connaissances dans des domaines tels que l'informatique quantique.