在一项新的研究中,美国和奥地利物理学家观察到量子临界材料中“数十亿”流动电子之间的量子纠缠。
这项研究发表在本周的科学研究了一种由镱、铑和硅组成的“奇怪金属”化合物在接近并通过两个量子相边界的临界跃迁时的电子和磁性行为。
莱斯大学和维也纳理工大学(TU Wien)的这项研究提供了迄今为止最有力的直接证据,证明纠缠在量子临界中所起的作用,莱斯大学的研究合著者齐淼斯说。
“当我们想到量子纠缠时,我们想到的是一些小事情,”Si说。“我们不把它与宏观物体联系起来。但在量子临界点,事情是如此的集体,以至于我们有机会看到纠缠的影响,即使是在包含数十亿量子力学物体的金属薄膜中。”
Si是一位理论物理学家,也是莱斯量子材料中心(RCQM)的主任,他花了20多年的时间研究奇怪金属和高温超导体等材料改变量子相时会发生什么。更好地了解这些材料可以为计算机、通信等领域的新技术打开大门。
国际团队克服了几个挑战才取得了这个结果。维也纳工业大学的研究人员开发了一种高度复杂的材料合成技术,可以生产出含有一份镱比两份铑和硅(YbRh)的超纯薄膜2如果2).在绝对零度的温度下,材料经历了从一个形成磁序的量子相到另一个不形成磁序的量子相的转变。
在莱斯大学,研究的共同主要作者李鑫伟,当时是合作者和RCQM成员Junichiro Kono实验室的研究生,在低至1.4开尔文的温度下对薄膜进行了太赫兹光谱实验。太赫兹测量揭示了YbRh的光学导电性2如果2当薄膜冷却到一个量子临界点时,标志着从一个量子相到另一个量子相的转变。
“对于奇怪的金属,电阻和温度之间有一种不寻常的联系,”维也纳工业大学固态物理研究所的通讯作者西尔克·比尔·赫勒-帕申说。“与铜或金等简单金属相比,这似乎不是由于原子的热运动,而是由于绝对零度温度下的量子波动。”
为了测量光学导电性,李将太赫兹频率范围内的相干电磁辐射照射在薄膜上,并分析了通过的太赫兹射线的数量作为频率和温度的函数。作者说,实验揭示了“频率超过温度尺度”,这是量子临界性的一个明显迹象。
科诺是莱斯大学布朗工程学院的工程师和物理学家,他说这些测量对李来说是艰苦的,李现在是加州理工学院的博士后研究员。例如,只有一小部分太赫兹辐射照射到样品上,通过探测器,重要的测量是这一小部分在不同温度下上升或下降了多少。
科诺说:“不到总太赫兹辐射的0.1%被传输,而信号,即电导率的变化作为频率的函数,是其中的几个百分点。”“在每个温度下获取可靠的数据需要花费很多时间来平均许多次测量,并且有必要在许多温度下获取数据来证明缩放的存在。
“Xinwei非常非常有耐心和毅力,”Kono说。“此外,他还仔细处理了收集到的大量数据,以揭示缩放定律,这对我来说真的很吸引人。”
制作电影更具挑战性。为了使它们足够薄以通过太赫兹射线,维也纳理工大学的研究小组开发了一种独特的分子束外延系统和一种复杂的生长程序。钇、铑和硅同时以精确的1-2-2的比例从不同的来源蒸发。由于蒸发铑和硅需要高能量,该系统需要一个定制的超高真空室和两个电子束蒸发器。
“我们的未知因素是找到了完美的衬底:锗,”维也纳工业大学研究生卢卡斯·普罗查斯卡(Lukas Prochaska)说,他是这项研究的共同主要作者。锗对太赫兹是透明的,并且具有“一定的原子距离(实际上)与YbRh中镱原子之间的距离相同”2如果2这就解释了电影的优秀品质。”
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“在一个磁量子临界点,传统观点认为只有自旋部分是关键的,”他说。“但如果电荷和自旋扇区是量子纠缠的,那么电荷扇区最终也会变得至关重要。”
当时,还没有技术来验证这一假设,但到2016年,情况发生了变化。维恩可以培养薄膜,赖斯最近安装了一台强大的显微镜,可以扫描它们的缺陷,科诺有太赫兹光谱仪来测量光学导电性。那年,在b
“从概念上讲,这真的是一个梦想实验,”斯说。“探测磁量子临界点处的电荷扇区,看看它是否临界,是否具有动态标度。如果你没有看到任何东西是集体的,那就是缩放,临界点必须属于某些教科书类型的描述。但是,如果你看到一些奇异的东西,事实上我们做到了,那么它就是量子临界量子纠缠本质的非常直接和新的证据。”
斯说,所有的努力都是值得的,因为这些发现具有深远的意义。
“量子纠缠是存储和处理量子信息的基础,”Si说。“与此同时,量子临界性被认为可以驱动高温超导性。因此,我们的研究结果表明,相同的基础物理学——量子临界性——可以为量子信息和高温超导提供一个平台。当一个人想到这种可能性时,他就会不由自主地惊叹于大自然的神奇。”
Si是莱斯大学物理与天文系的Harry C. and Olga K. Wiess教授。爱博网站科诺是莱斯大学电子与计算机工程系、物理与天文学系、材料科学与纳米工程系的教授,也是莱斯大学应用物理研究生项目的主任。爱博网站林格现在在剑桥大学工作。
其他合著者包括马克斯韦尔·安德鲁斯、马克西米利安·邦塔、维尔纳·施伦克、安德烈亚斯·林贝克和戈特弗里德·斯特拉瑟,他们都来自维也纳工业大学;赫尔曼·德兹(Hermann Detz),前维也纳工业大学,现就职于布尔诺大学;伊丽莎白·比安科(Elisabeth Bianco),曾供职于莱斯大学,目前供职于康奈尔大学;萨迪格·亚兹迪(Sadegh Yazdi),曾供职于莱斯大学,目前任职于科罗拉多大学博尔德分校;和共同主要作者唐纳德·麦克法兰,他曾在维也纳理工大学工作,目前在布法罗大学工作。
该研究得到了欧洲研究委员会(ERC-227378)、陆军研究办公室(W911NF-14-1-0496、W911NF-17-1-0259、W911NF-14-1-0525)、奥地利科学基金(FWF-W1243、P29279-N27、P29296-N27)、欧盟地平线2020计划(824109-EMP)、美国国家科学基金会(DMR-1720595、DMR-1920740、PHY-1607611)、罗伯特·韦尔奇基金会(C-1411)、洛斯阿拉莫斯国家实验室和莱斯大学的支持。
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