Tính chất từ biến mất ở gần 0 độ tuyệt đối

Một tính chất kỳ lạ của chất sắt từ ở gần không độ tuyệt đối (0 K) đã cung cấp một bằng chứng trực tiếp rằng một số chuyển pha lượng tử xảy ra rất khác so với các chuyển pha truyền thống xảy ra ở nhiệt độ cao.

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành đặt hợp chất kim loại sắt từ vào từ trường và quan sát sự chuyển pha từ sắt từ sang phi từ như trông đợi. Sự ngạc nhiên đến khi ở từ trường cao hơn, họ quan sát thấy sự thay đổi rối loạn các đặc trưng của kim loại. Ở tại nhiệt độ thấp hơn cả nhiệt độ thấp hơn cả chuyển pha từ tính và sự thay đổi bỉ ẩn đều hội tụ tại một giá trị của từ trường - điểm tới hạn lượng tử - bất chấp các phương pháp khảo sát chuyển pha truyền thống theo kiểu thông thường (Science 315 969, 2007).

Trong các quá trình chuyển pha liên tục truyền thống, sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến việc vật chất có thể chuyển từ một trạng thái này sang một trạng thái khác (ví dụ từ có từ tính sang phi từ). Khi vật liệu đạt tới nhiệt độ tới hạn, thăng giáng nhiệt sẽ gây ra các "mầm" của trạng thái mới và phát triển trong trạng thái cũ và cuối cùng chiếm toàn bộ vật liệu. Trong quá trình chuyển pha, sự trênh lệch về năng lượng giữa 2 trạng thái sẽ tiến tới 0 theo cách được định nghĩa là chuyển pha "kiểu cách thông thường". Tất cả các chuyển pha được biết đều có thể mô tả bằng một trong số các "kiểu cách thông thường".

Ở nhiệt độ cực thấp gần không độ tuyệt đối, năng lượng cho thăng giáng nhiệt là rất thấp và thăng giáng "không điểm" lượng tử được cho là đóng vai trò trong chuyển pha. Sự thăng giáng này giữ cho vật chất ở một vận động cố định - thậm chí là ở 0 độ. Tuy nhiên, người ta chưa hiểu rõ ràng rằng liệu "chuyển pha lượng tử" quyết định bởi các thăng giáng lượng tử này sẽ thuộc về các "kiểu cách thông thường" như các chuyển pha do thăng giáng nhiệt.

Hình 1. Sự phụ thuộc từ trường của hệ số từ giảo ở các nhiệt độ khác nhau.

Mới đây, Philip Gegenwart và cộng sự của Viện Hóa học Chất rắn Max Planck, Đức (Max Planck Institute for Chemistry of Solids) cùng với các đồng nghiệp ở Mỹ đã công bố về sự xuất hiện của thăng giáng lượng tử dẫn đến 2 hiện tượng riêng biệt trong một kim loại phản sắt từ. Tính chất không trông đợi này được phát hiện ở nhiệt độ 0,8 K trong hợp chất của Ytterbium, Rhodium và Silicon (Yb-Rh-Si: YRS). Các nhà nghiên cứu tin rằng sự thay đổi không mong muốn mà họ đã quan sát thấy ở từ trường cao hơn có thể liên quan đến "sự vướng víu" giữa spin từ và các điện tử dẫn. Các spin từ là các điện tử cố định trong các nguyên tử riêng lẻ và thông thường ít có gì tác động đến các điện tử dẫn. Tuy nhiên ở từ trường cao, và nhiệt độ rất thấp, chúng xuất hiện và trở nên vướng mắc với các điện tử dẫn để tạo các giả hạt mà có các hành vi gần giống như các electron nặng. Gegenwart và các đồng nghiệp có thể đã quan sát thấy chuyển pha tới trạng thái "chất lỏng điện tử nặng" của vật chất.

Hình 2. Điện trở suất như một hàm của từ trường, đo ở các nhiệt độ khác nhau.

Theo Andrew Schofield của Trường Đại học Birmingham (Anh), nếu sự thăng giáng lượng tử chiếm lấy một cách đơn giản vai trò của thăng giáng nhiệt, thì chỉ có sự chuyển pha từ tính được quan sát. Ông ta phát biểu trên Physics Web rằng diện mạo của thuộc tính riêng biệt thứ hai trong giản đồ pha có liên quan đến điểm tới hạn lượng tử bất chấp các hiểu biết hiện tại của chúng ta về các "kiểu cách thông thường" và một lý thuyết vật lý mới đòi hỏi phải mô tả một hiện tượng thuần túy lượng tử là gì?

Vạn lý Độc hành