Нагрев вещества вызывает классические фазовые переходы — из твердого в жидкое и газообразное, но когда температура падает, могут произойти некоторые странные вещи: если фазовые переходы происходят при самых низких температурах, тонкие колебания могут резко изменить материал.

Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США совместно с коллегами из Университета Стоуни-Брук (США) исследовали поведение материалов при экстремально низких температурах, чтобы изучить квантовые фазовые переходы с беспрецедентной точностью. «В таких холодных условиях электронные, магнитные и термодинамические характеристики металлических материалов определяются этими неуловимыми квантовыми флуктуациями», — сообщает физик Мейган Аронсон.

Ученые наблюдали за возникновением ферромагнетизма в соединении иттрия, железа и алюминия (YFe2Al10) при температуре около абсолютного нуля. Исследование предоставляет новые методы определения материалов с такими мощными и неожиданными свойствами, как сверхпроводимость — способность проводить электричество с максимальной эффективностью.

«Доскональное изучение этого квантового фазового перехода позволяет прогнозировать и потенциально увеличить производительность новых материалов в их практическом применении, которое до сих пор было только теоретическим», — уверяет физик Алексей Цвелик. Наличие тепла усложняет так называемые критические квантовые колебания, поэтому ученые провели эксперименты при максимально низкой температуре.

«Законы термодинамики делают абсолютный ноль недостижимым, но квантовые фазовые переходы можно наблюдать при близких к нему температурах. Тем не менее, для того, чтобы полноценно изучить квантовую механическую природу, мы должны достичь температуры около -273 °C — намного холоднее, чем температура жидкого гелия или даже межзвездного пространства», — говорит Аронсон.

В итоге термодинамические и магнитные измерения показали, что YFe2Al10 становится ферромагнитным именно около абсолютного нуля — в отличие от железа, которое является ферромагнитным при температуре значительно выше комнатной.