洛桑联邦理工学院 信用:CC0公共领域 在物理学中，事物以相的形式存在，如固态、液态和气态
当某物从一个相进入另一个相时，我们就谈到了相变——就像水沸腾成蒸汽，从液体变成气体
在我们的厨房里，水在100摄氏度时沸腾，其密度会发生剧烈变化，从液体变成气体会出现不连续的跳跃
然而，如果我们提高压力，水的沸点也会升高，直到压力达到221个大气压，水在374摄氏度沸腾
这里，奇怪的事情发生了:液体和气体融合成一个单一的阶段
在这个“临界点”之上，根本就不再有相变，因此通过控制它的压力，水可以从液体变成气体，而不会越过一个临界点
类水相变有量子版本吗？“量子磁性和自旋电子学的当前方向需要高度自旋各向异性的相互作用来产生拓扑相和受保护的量子位的物理，但是这些相互作用也有利于不连续的量子相变，”EPFL基础科学学院的亨里克·雷诺教授说
先前的研究集中在量子磁性材料中平滑、连续的相变
现在，在由雷诺和同样在基础科学学院的弗雷德里克·米拉教授领导的一个联合实验和理论项目中，EPFL和保罗·舍勒研究所的物理学家研究了一种不连续相变，以观察量子磁体中的第一个临界点，类似于水的临界点
这项工作现在发表在《自然》杂志上
科学家们使用了一种量子反铁磁物质，在该领域被称为SCBO(根据其化学成分:锶(BO3)2)
量子反铁磁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以赋予其磁性
SCBO也是一个“受挫”的磁铁，这意味着它的电子自旋不能稳定在某种有序的结构中，而是采用一些独特的量子涨落状态
在一个复杂的实验中，研究人员控制施加在毫克SCBO碎片上的压力和磁场
“这让我们可以观察不连续的量子相变，这样我们就可以在纯自旋系统中找到临界点物理，”雷诺说
该小组对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摄氏度时只吸收少量的能量，但在0摄氏度和100摄氏度时，它会吸收大量的能量，因为每个分子都被驱动穿过从冰到液体和从液体到气体的转变
就像水一样，SCBO的压力-温度关系形成了一个相图，显示了一条分离两个量子磁性相的不连续转变线，该线终止于一个临界点
“现在，当施加磁场时，问题变得比水更严重，”弗雷德里克·米拉说
“两个磁相都没有受到小磁场的强烈影响，所以这条线在三维相图中变成了一堵不连续的墙——但是其中一个相变得不稳定，磁场帮助它走向第三个相
" 为了解释这种宏观量子行为，研究人员与几名同事合作，特别是阿姆斯特丹大学的菲利普·科博兹教授，他们一直在开发强大的基于计算机的新技术
米拉说:“以前，在现实的二维或三维模型中，不可能计算‘受抑’量子磁体的性质。”
因此，SCBO提供了一个适时的例子，新的数值方法符合现实，为量子磁学的一个新现象提供了定量解释
" 亨里克·雷诺总结道:“展望未来，下一代功能量子材料将跨越不连续的相变，因此正确理解它们的热性质肯定会包括临界点，其经典版本为科学所知已有两个世纪
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