《自然》：水的相变或有一个量子版本 量子磁体将迎来全新理解

水可以从液体冻结成固体冰或煮沸成气体。在厨房里，这些“相变”并不平滑，但它们的不连续特性在高压下被消除了。由EPFL领导的一个国际物理学家团队现在在某些量子磁体中发现了同样的行为，这可能会对量子位技术产生影响。

在物理学中，事物以“相”存在，如固体、液体、气体。当某物从一种相过渡到另一种相时，就发生了“相变”——想象水沸腾变成蒸汽，从液体变成气体。

在厨房里，水的沸点是100摄氏度，它的密度变化很大，使液体变成气体的过程不连续。然而，如果提高压力，水的沸点也会增加，直到221个大气压，沸点是374摄氏度。这时，奇怪的事情发生了：液体和气体合并成一个单一的相。在这个“临界点”之上，根本就没有相变，因此通过控制它的压力，水可以从液体转向气体，而不需要跨越一个临界点。

有类似水的相变的量子版本吗？EPFL基础科学学院的Henrik Rønnow教授表示:“目前的量子磁和自旋电子学方向需要高度的自旋各向异性相互作用，来产生拓扑相和受保护的量子位元，但这些相互作用也有利于不连续的量子相变。”

以往的研究主要集中在量子磁性材料中平滑、连续的相变。现在，在一个由Rønnow和Frédéric Mila教授领导、PFL物理学家和保罗谢勒研究所的物理学家的联合实验和理论项目中，研究了不连续的相变来观察量子磁体中的第一个临界点，类似于水。这项研究发表在《自然》杂志上。

科学家们使用了一种“量子反铁磁体”，在该领域被称为SCBO(从其化学成分:SrCu2(BO3)2)。量子反铁磁体对于理解材料结构的量子方面如何影响其整体性质特别有用——例如，电子的自旋如何相互作用而赋予其磁性。SCBO也是一个“失意”磁铁，这意味着它的电子自旋不能稳定在某种有序结构中，相反，它们采用一些独特的量子波动态。

在一个复杂的实验中，研究人员控制了施加在毫克SCBO碎片上的压力和磁场。“这让我们可以观察所有不连续的量子相变，通过这种方式，我们发现了纯自旋系统中的临界点物理学。”Rønnow说。

该团队对SCBO的比热进行了高精度测量，这表明它已经准备好“吸收能量”。例如，水在-10摄氏度时只能吸收少量的能量，但在0摄氏度和100摄氏度时，它可以吸收大量的能量，因为每个分子都被驱动从冰到液体和液体到气体的转变。就像水一样，SCBO的压力-温度关系形成了相图，显示了一个不连续的过渡线将两个量子磁相分开，该线在临界点处结束。

为了解释这种宏观量子行为，研究人员与几位同事合作，特别是阿姆斯特丹大学的Philippe Corboz教授，他一直在开发强大的基于计算机的新技术。

Mila说:“以前不可能在现实的二维或三维模型中计算‘受挫’量子磁体的属性。”“因此，SCBO提供了一个适时的例子，新的数值方法满足了现实，为量子磁体的新现象提供了定量解释。”

Henrik Rønnow总结道:“展望未来，下一代功能量子材料将跨越不连续的相变，所以正确理解它们的热特性肯定会包括临界点，临界点的经典版本已经为科学界所知两个世纪了。”

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03411-8