Na física, as coisas existem em fases, como os estados sãolido, la­quido e gasoso. Quando algo passa de uma fase para outra, falamos sobre uma transição de fase - como a águafervendo em vapor, passando do la­quido ao gás.

Em nossas cozinhas, a águaferve a 100 graus C e sua densidade muda drasticamente, dando um salto desconta­nuo do la­quido para o gasoso. Poranãm, se aumentarmos a pressão, o ponto de ebulição da águatambém aumenta, atéuma pressão de 221 atmosferas onde ferve a 374 graus C. Aqui, algo estranho acontece: o la­quido e o gás se fundem em uma única fase. Acima desse "ponto cra­tico", não hámais uma transição de fase e, portanto, ao controlar sua pressão, a águapode ser direcionada do la­quido ao gás sem nunca cruzar um.

Existe uma versão qua¢ntica de uma transição de fase semelhante a  da a¡gua? "As direções atuais no magnetismo qua¢ntico e spintra´nica requerem interações altamente spin-anisotra³picas para produzir a física das fases topola³gicas e qubits protegidos, mas essas interações também favorecem as transições de fase qua¢ntica desconta­nuas", disse o professor Henrik Ra¸nnow na Escola de Ciências Ba¡sicas da EPFL.

Estudos anteriores se concentraram em transições de fase suaves e conta­nuas em materiais magnanãticos qua¢nticos . Agora, em um projeto experimental e tea³rico conjunto liderado por Ra¸nnow e o Professor Franãdanãric Mila, também na Escola de Ciências Ba¡sicas, fa­sicos da EPFL e do Instituto Paul Scherrer estudaram uma transição de fase desconta­nua para observar o primeiro ponto crítico em um a­ma£ qua¢ntico , semelhante ao da a¡gua. O trabalho já foi publicado na Nature .

Os cientistas usaram um antiferroa­ma£ qua¢ntico, conhecido na área como SCBO (por sua composição química: SrCu 2 (BO 3 ) 2 ). Os antiferromagnetos qua¢nticos são especialmente aºteis para entender como os aspectos qua¢nticos da estrutura de um material afetam suas propriedades gerais - por exemplo, como os spins de seus elanãtrons interagem para dar suas propriedades magnanãticas . O SCBO também éum a­ma£ "frustrado", o que significa que seus spins de elanãtrons não podem se estabilizar em alguma estrutura ordenada e, em vez disso, adotam alguns estados flutuantes qua¢nticos exclusivos.

Em um experimento complexo, os pesquisadores controlaram a pressão e o campo magnético aplicado a pedaço s de miligramas de SCBO. "Isso nos permitiu olhar ao redor da transição de fase qua¢ntica desconta­nua e dessa forma encontramos a física do ponto crítico em um sistema de spin puro", diz Ra¸nnow.

A equipe realizou medições de alta precisão do calor especa­fico do SCBO, o que mostrou sua prontida£o para absorver energia. Por exemplo, a águaabsorve apenas pequenas quantidades de energia a -10 graus C, mas a 0 graus C e 100 graus C, ela pode consumir grandes quantidades, pois cada molanãcula éconduzida atravanãs das transições de gelo para la­quido e de la­quido para gás. Assim como a a¡gua, a relação pressão-temperatura do SCBO forma um diagrama de fase mostrando uma linha de transição desconta­nua que separa duas fases magnanãticas qua¢nticas, com a linha terminando em um ponto cra­tico.

“Agora, quando um campo magnético éaplicado, o problema fica mais rico do que a a¡gua”, diz Franãdanãric Mila. "Nenhuma das fases magnanãticas éfortemente afetada por um pequeno campo, então a linha se torna uma parede de descontinuidades em um diagrama de fase tridimensional - mas então uma das fases se torna insta¡vel e o campo ajuda a empurra¡-la para uma terceira fase."

Para explicar esse comportamento qua¢ntico macrosca³pico, os pesquisadores se juntaram a vários colegas, particularmente o professor Philippe Corboz da Universidade de Amsterda£, que tem desenvolvido novas técnicas poderosas baseadas em computador.

“Anteriormente, não era possí­vel calcular as propriedades de a­ma£s qua¢nticos 'frustrados' em um modelo bidimensional ou tridimensional realista”, diz Mila. "Portanto, o SCBO fornece um exemplo oportuno em que os novos manãtodos numanãricos encontram a realidade para fornecer uma explicação quantitativa de um fena´meno novo para o magnetismo qua¢ntico ."

Henrik Ra¸nnow conclui: "Olhando para o futuro, a próxima geração de materiais qua¢nticos funcionais serátrocada por transições de fase desconta­nuas , então uma compreensão adequada de suas propriedades tanãrmicas certamente incluira¡ o ponto crítico , cuja versão cla¡ssica éconhecida pela ciência hádois séculos. "