当一种物质从固态变成液态再变成气态时，这些变化被称为相变。最有趣的类型之一是更奇特的变化——量子相变——量子力学的奇怪性质可以以奇怪的方式带来非凡的变化。

在《物理评论快报》发表的一篇论文中，由能源部橡树岭国家实验室领导的研究小组报告了一种新型量子相变的发现。这种独特的相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。

利用中子和x光衍射技术以及热容测量，研究人员揭示了如何通过简单地添加一点金来找到镧铜材料中的弹性QCP。

与QCP相关的相变发生在接近绝对零度(约-460华氏度)的温度下，通常由压力、磁场或替代材料中的其他化学物质或元素等因素驱动。

“我们研究QCP是因为材料在零温相变附近表现出许多奇怪而令人兴奋的行为，这是经典物理无法解释的，”主要作者、田纳西大学研究生、在ORNL量子凝聚态学部工作的Lekh Poudel说。“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。

他说：“理论上已经预测到了它的存在，但直到现在还没有实验证据。"我们是第一个确认弹性QCP确实存在的人."

ORNL大学的仪器科学家Andrew Christianson说：“对量子相变的研究是研究量子材料的更大努力的一部分，这种材料可能会用于设备中，使我们能够超越现有的技术范式，并为我们提供革命性的功能。”“量子相变是用来产生新的物质量子相的原型。在这方面，我们总是试图发现新的量子相变类型，因为它们是发现材料中新的量子力学行为的方法之一。”

为了更好地理解La-Cu-Au的独特行为，该团队使用中子粉末衍射仪对ORNL高通量同位素反应堆-美国能源部科学用户设施办公室中的材料结构进行了表征，然后每一个都在成分中添加了更多的金。测量。

“中子使我们能够在非常低的温度下研究材料，以了解原子在哪里以及它们的行为，”Poudel说。

研究人员已经知道，如果没有金，镧和铜将在大约370华氏度时发生相变，系统的晶体结构将在冷却时发生变化。当加入更多的金时，转变温度逐渐降低。Poudel和他的团队继续添加更多的黄金，直到转变温度接近绝对零度。

“因为金原子的原子半径比铜原子大得多，当我们在材料中加入金时，晶体结构中原子的错配通过控制结构的内部应变来抑制向较低温度的相变。在接近零的温度下，热能不再在相变过程中发挥作用，我们可以看到量子涨落对原子运动的影响，”Poudel说。

研究人员还测量了热容量，显示了将材料温度改变几度所需的热量，并提供了关于材料波动的信息。

“重要的是，综合结果表明，这是潜在弹性QCP的第一个例子，其中的电子能量尺度与量子涨落无关，”ORNL材料科学技术部研究员Andrew May说。

Poudel说：“LaCu 6-x Au x中的弹性QCP是一个完美的例子，它可以研究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。“现在我们已经发现了它们，我们可以更仔细地研究驱动这种量子相变的微观波动，并利用其他技术让我们对这些非同寻常的行为有更深入的了解。”

在这项研究中，田纳西大学和ORNL大学的联合教师大卫曼德鲁斯说：“这项工作是一个很好的例子，说明田纳西大学和ORNL大学如何合作产生一流的科学，并为高积极性提供无与伦比的教育机会。博士生。像这样的成功故事将有助于吸引更多的年轻人来到田纳西州，这将有利于UTK和ORNL。”