Water en quantummagneten: 2 keer dezelfde fysica

Een internationaal team van natuurkundigen heeft in een deels experimenteel en deels theoretisch project een discontinue faseovergang bestudeerd bij quantummaterialen, gelijk aan water.

Trefwoorden: #2D, #discontinue faseovergang, #fysica, #mintekenprobleem, #natuurkunde, #quantummagneten, #quantummaterialen, #SCBO, #tensornetwerken, #UvA, #École Polytechnique Fédérale de Lausanne

Lees verder

research

ENGINEERINGNET.BE - De natuurkundigen ontdekten voor het eerst bij een bepaalde druk en temperatuur ook een kritiek punt in een quantummagneet – vergelijkbaar met het kritieke punt dat water kent. De wetenschappers gebruikten een quantum-antiferromagneet, beter bekend als SCBO ofwel SrCu2(BO3)2.

Quantum-antiferromagneten zijn magnetische materialen die nuttig zijn om te begrijpen hoe de quantumaspecten van de structuur van een materiaal zijn algehele eigenschappen beïnvloeden.

In een experiment wisten de onderzoekers zowel de druk als het magnetische veld dat werd uitgeoefend op milligram-zware stukjes SCBO onder controle te houden. “Daardoor konden we overal rond de discontinue quantum-faseovergang kijken en het kritieke punt in dit systeem van zuivere spins vinden,” aldus Henrik Rønnow, hoogleraar aan de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).

Het team deed hoge-precisiemetingen aan de zogeheten soortelijke warmte van SCBO, een grootheid die laat zien in welke mate het materiaal energie kan ‘opzuigen’.

Net als bij water vormt het verband tussen druk en temperatuur in SCBO ook een fasediagram met een discontinue grens tussen twee quantum-magnetische fasen – een lijn die in een kritiek punt ophoudt te bestaan.

“Met behulp van simulaties van zogeheten 2D tensornetwerken slaagden we erin om SCBO te simuleren,” zegt Philippe Corboz van het UvA Corboz. “Het materiaal wordt effecief beschreven door een theoretisch model dat bekendstaat als het Shastry-Sutherlandmodel. Het goed simuleren van dat model is een enorme numerieke uitdaging. Het was lange tijd zelfs geheel ontoegankelijk voor numerieke benaderingen vanwege een technisch probleem dat bekend staat als het ‘mintekenprobleem’.”

Dankzij recente ontwikkelingen in de methodes van 2D tensornetwerken slaagden de theoretici er in om het probleem op te lossen en om numeriek te bevestigen dat de scherpe piek in de soortelijke warmte die in de experimenten was waargenomen, inderdaad overeenkwam met een kritiek punt bij eindige temperatuur, precies zoals het kritieke punt van water.

Rønnow: “De volgende generatie van functionele quantummaterialen zal gebruikmaken van discontinue faseovergangen. Voor een goed begrip van hun thermische eigenschappen is ook nieuwe kennis van het kritieke punt nodig.”


(figuur: UvA - Nature)