当物质从固体变为液体到蒸汽时，这些变化称为相变。最有趣的类型之一是更奇特的变化 – 量子相变 – 量子力学的奇怪属性可以以奇怪的方式带来非凡的变化。
在“ 物理评论快报”上发表的一篇论文中，由能源部橡树岭实验室领导的研究小组报告了一种新型量子相变的发现。这种独特的转变发生在弹性量子临界点或QCP，其中相变不是由热能驱动的，而是由原子本身的量子涨落驱动的。
研究人员结合使用中子和X射线衍射技术以及热容测量，揭示了如何通过简单地添加一点金来在镧铜材料中找到弹性QCP。
与QCP相关的相变发生在接近绝对零温度(约-460华氏度)，并且通常通过诸如压力，磁场之类的因素或通过替换材料中的其他化学物质或元素在该温度下驱动。
“我们研究QCP，因为材料在零温度相变附近表现出许多奇怪且令人兴奋的行为，这是经典物理无法解释的，”主要作者，田纳西大学研究生Lekh Poudel在ORNL的量子凝聚态物质部门工作。“我们的目标是探索一种新型QCP的可能性，其中量子运动改变了原子的排列。
“它的存在已被理论预测，但直到现在还没有任何实验证据，”他说。“我们是第一个确定弹性QCP确实存在的人。”
ORNL仪器科学家Andrew Christianson说：“对量子相变的研究是研究量子材料的一项更大努力的一部分，这些量子材料有可能用于使我们超越现有技术范例并为我们提供变革功能的设备。” “量子相变是用于产生新的物质量子相的原型。在这方面，我们总是试图找出新类型的量子相变，因为它们是我们在材料中发现新的量子力学行为的方式之一。“
为了更好地理解镧 – 铜 – 金的独特行为，该团队在ORNL的高通量同位素反应器 – 能源部科学用户设施办公室 – 使用中子粉末衍射仪来表征材料的结构，随后每一个都为组合物添加更多的金。测量。
“中子使我们能够在极低温度下深入研究材料，看看原子在哪里以及它们的表现如何，”Poudel说。
研究人员已经知道，如果没有金，镧铜会在大约370华氏度的温度下发生相变，系统的晶体结构会在冷却时发生变化。当添加更多金时，转变温度逐渐下降。Poudel和团队继续增加更多黄金，直到转变温度接近绝对零度。
“因为金原子具有比铜原子大得多的原子半径，当我们向材料中添加金时，晶体结构内原子的不匹配通过控制结构的内部应变来抑制相变到较低温度。在近零温度下，热能不再在相变过程中发挥作用，我们可以看到量子波动对原子运动的影响，“Poudel说。
研究人员还进行了热容量测量，显示了将材料温度改变几度所需的热量，并提供了有关材料波动的信息。
“重要的是，综合结果显示，这是潜在弹性QCP的第一个例子，其中电子能量尺度与量子波动无关，”ORNL材料科学与技术部门研究员Andrew May说。
“LaCu 6-x Au x中的这种弹性QCP 是一个完美的例子，可以研究QCP的基本行为，而不会产生电子电荷的复杂性，这在QCP的其他例子中可能是不可能的，” Poudel。“现在我们已经找到了它们，我们可以更加仔细地研究推动这种量子相变的微观波动，并运用其他技术，让我们对这些非凡的行为有更深入的了解。”
在这项研究中，田纳西大学和ORNL联合教师大卫曼德鲁斯说：“这项工作是田纳西大学和ORNL如何合作生产一流科学并为高度积极提供无与伦比的教育机会的一个很好的例子。博士 学生。像这样的成功故事将有助于吸引更多年轻人才到田纳西州，这将有利于UTK和ORNL。“