Représentation schématique du diagramme de phase "Température T versus champ magnétique externe B", pour une transition de phase quantique sous l'application d'un champ magnétique externe. Dans un), le point critique quantique (bleu clair) subit une transition de phase lorsque le champ magnétique externe atteint une certaine valeur critique. En (b), un point critique quantique hypothétique est indiqué pour B =0 et T =0 (point en rouge). Le gradient rouge représente le rôle des interactions mutuelles entre les moments magnétiques. De telles interactions deviennent de plus en plus pertinentes à mesure que la température diminue. La ligne pointillée dans les deux panneaux représente les lignes de transition (croisement). Crédit :FAPESP
Les transitions de phase classiques sont régies par la température. L'un des exemples les plus connus est celui des transitions de phase de l'eau du solide au liquide au gaz. Cependant, d'autres paramètres régissent les transitions de phase lorsque les températures approchent du zéro absolu, y compris la pression, le champ magnétique, et le dopage, qui introduisent du désordre dans la structure moléculaire d'un matériau.
Ce sujet est traité du point de vue théorique dans l'article "Unveiling the physics of the mutual interactions in paramagnets, " Publié dans Rapports scientifiques .
L'article est le résultat de discussions tenues au laboratoire dans le cadre de la recherche doctorale des deux auteurs principaux, Lucas Squillante et Isys Mello, supervisé par le dernier auteur, Mariano de Souza, professeur au Département de physique de l'Institut des géosciences et des sciences exactes de l'Université d'État de São Paulo (IGCE-UNESP) à Rio Claro, Brésil.
Les autres coauteurs sont Roberto Eugenio Lagos Mônaco et Antonio Carlos Seridonio , également professeurs à l'UNESP, et Harry Eugène Stanley, professeur à l'Université de Boston (États-Unis).
L'étude a été soutenue par la São Paulo Research Foundation—FAPESP via une subvention attribuée au projet "Exploring thermodynamic and transport properties of fortement correlated electron systems, " dont Souza était le chercheur principal.
« Dans les matériaux paramagnétiques, il y a toujours une contribution subtile de plusieurs corps à l'énergie du système. Cette contribution peut être considérée comme un petit champ magnétique local effectif. Il est généralement négligé, étant donné la très faible quantité d'énergie qui lui est associée par rapport à l'énergie associée aux fluctuations thermiques ou aux champs magnétiques externes.
Néanmoins, lorsque la température et le champ magnétique externe approchent de zéro, ces contributions de plusieurs corps deviennent significatives, " a dit Souza.
L'étude a montré que la matière a toujours tendance à être ordonnée à basse température en raison des interactions à plusieurs corps. Le modèle de gaz de spin sans interaction ne se produit donc pas dans le monde réel car une interaction à plusieurs corps entre les spins du système imposerait de l'ordre.
"Nous avons trouvé que dans les matériaux réels, il n'existe pas de point critique auquel une transition de phase quantique se produit dans un véritable champ zéro en raison de la persistance du champ magnétique résiduel créé par l'interaction à plusieurs corps. Dans un contexte plus large, la condensation idéale de Bose-Einstein ne peut pas être obtenue à cause de cette interaction, " a déclaré Souza.
Un condensat de Bose-Einstein, souvent appelé le « cinquième état de la matière » (les autres étant solides, liquide, gaz et plasma), est un groupe d'atomes refroidi à un cheveu du zéro absolu. Quand ils atteignent cette température, les atomes n'ont pas d'énergie libre pour se déplacer les uns par rapport aux autres et tombent dans les mêmes états quantiques, se comportant comme une seule particule.
Les condensats de Bose-Einstein ont d'abord été prédits et calculés théoriquement par Satyendra Nath Bose (1894-1974) et Albert Einstein (1879-1955) en 1924, mais ce n'est qu'en 1995 qu'Eric A. Cornell, Carl E. Wieman et Wolfgang Ketterle ont réussi à en fabriquer un en utilisant du gaz rubidium ultrafroid, pour lequel tous les trois ont reçu le prix Nobel de physique 2001.
"Ce que notre étude a montré, c'est que bien qu'un condensat Bose-Einstein non idéal puisse être obtenu expérimentalement, la condition idéale pour la condensation ne peut pas être atteinte car elle présuppose que les particules ne se perçoivent pas ou n'interagissent pas les unes avec les autres, alors que l'interaction résiduelle se produit toujours, même au voisinage du zéro absolu, " a déclaré Souza.
"Une autre découverte était que la matière peut être magnétisée de manière adiabatique [sans perte ou gain de chaleur] via ces seules interactions mutuelles."
