研究发现奇怪的金属中有数十亿个量子纠缠电子
作者:杰德·博伊德，莱斯大学
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。
这项研究发表于本周科学研究了镱、铑和硅组成的“奇怪金属”化合物的电子和磁性行为，因为它接近并通过了两个研究得很好的量子相之间的边界处的临界跃迁。
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强有力的直接证据，证明纠缠在导致量子临界中的作用，该项研究的合著者莱斯的奇妙思说。
“当我们想到量子纠缠时，我们会想到小事情，”斯说。“我们不把它和宏观物体联系起来。但是在一个量子临界点，事情是如此的集体，以至于我们有机会看到纠缠的影响，即使是在一个包含数十亿量子力学物体的金属薄膜中。”
作为理论物理学家和莱斯量子材料中心(RCQM)的主任，Si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位时会发生什么。更好地理解这些材料可以为计算、通信等领域的新技术打开大门。
国际队克服了几个挑战才取得了结果。杜维恩(TU Wien)的研究人员开发了一种高度复杂的材料合成技术，以生产每两部分铑和硅(YbRh2Si2)含有一部分镱的超纯薄膜。在绝对零度时，材料经历了从形成磁序的一个量子相到不形成磁序的另一个量子相的转变。
在莱斯大学，研究的合著者李新伟，当时是合作者和RCQM成员河野纯一郎实验室的研究生，在低至1.4开尔文的温度下对薄膜进行太赫兹光谱实验。太赫兹测量揭示了YbRh2Si2薄膜在冷却到标记从一个量子相到另一个量子相转变的量子临界点时的光学导电性。
“对于奇怪的金属，电阻和温度之间有一种不寻常的联系，”杜维恩固体物理研究所的相应作者西尔克·布勒-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，而是由于绝对零度时的量子波动。”
为了测量光学电导率，李在薄膜顶部照射太赫兹频率范围内的相干电磁辐射，并分析通过的太赫兹射线量作为频率和温度的函数。作者说，实验揭示了“频率随温度的变化”，这是量子临界性的一个信号。
莱斯布朗工程学院的工程师和物理学家科诺说，这些测量对李来说很辛苦，他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通过探测器的样品上，重要的测量是在不同温度下该部分上升或下降多少。
科诺说:“总太赫兹辐射的透射率不到0.1%，而作为频率函数的电导率变化的信号仅是其中的几个百分点。”。“在每一个温度下获取可靠的数据来对许多许多次测量进行平均需要花费许多小时，而且有必要在许多许多温度下获取数据来证明结垢的存在。
科诺说:“新伟非常、非常耐心和坚持不懈。”。“此外，他仔细处理了他收集的大量数据，揭示了标度律，这让我非常着迷。”
西尔克·比勒-帕申在维也纳杜维恩的实验室里。图:路易莎·佩尤/杜维恩
拍电影更具挑战性。为了使它们长得足够薄，能够通过太赫兹射线，TU Wien团队开发了一个独特的分子束外延系统和一个复杂的生长程序。镱、铑和硅以精确的1-2-2比例从不同的源同时蒸发。因为蒸发铑和硅需要很高的能量，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完美的基质:锗，”研究的共同牵头人、图维恩研究生卢卡斯·普罗卡斯卡说。锗对太赫兹是透明的，并且“某些原子距离(实际上)与镱硼氢化物2中镱原子之间的距离相同，这解释了薄膜的优异质量，”他说。
斯回忆说，15年多前，当他和布勒-帕申在探索测试一类新的量子临界点的方法时，他们讨论了这个实验。他们与同事一起推进的量子临界点的标志是自旋和电荷之间的量子纠缠至关重要。
“在磁量子临界点，传统智慧认为只有自旋部分才是关键，”他说。"但是如果电荷和自旋部分是量子纠缠的，电荷部分最终也将是至关重要的."
当时，该技术还不能用来检验这一假设，但到了2016年，情况已经发生了变化。杜文可以种植薄膜，赖斯最近安装了一个强大的显微镜，可以扫描薄膜的缺陷，科诺有太赫兹光谱仪来测量光学电导率。同年，在布勒-帕申休假访问赖斯期间，她、西、科诺和赖斯显微镜专家艾米莉·林格通过赖斯新成立的创新企业计划颁发的跨学科优秀奖获得了支持，以推进该项目。
“从概念上说，这真的是一个梦的实验，”思说。“在磁量子临界点探测电荷扇区，看看它是否重要，是否有动态标度。如果你看不到任何集体的东西，那就是缩放，关键点必须属于某种教科书类型的描述。但是，如果你看到一些奇异的东西，事实上我们看到了，那么这是量子临界的量子纠缠性质的非常直接和新的证据。”
Si说所有的努力都是值得的，因为这些发现有深远的影响。
“量子纠缠是存储和处理量子信息的基础，”硅说。“与此同时，量子临界被认为推动了高温超导性。因此，我们的发现表明，同样的基础物理学——量子临界性——可以为量子信息和高温超导性带来一个平台。当一个人考虑到这种可能性时，他不禁惊叹于大自然的神奇。”
Si是莱斯物理和天文学系的哈里·c·和奥尔加·k·威斯教授。科诺是莱斯电气和计算机工程、物理和天文学、材料科学和纳米工程系的教授，也是莱斯应用物理研究生项目的主任。林格现在在剑桥大学。其他合著者包括麦克斯韦·安德鲁斯、马克西米利安·邦塔、沃纳·施伦克、安德烈亚斯·林贝克和戈特弗里德·斯特拉瑟，所有这些人都是杜维恩；赫尔曼·德茨，前杜维恩人，现就读于布尔诺大学；伊丽莎白·比安科，以前是莱斯的学生，现在在康奈尔大学；萨德·雅兹迪，以前是莱斯大学的学生，现在就读于科罗拉多大学博尔德分校；和合著者唐纳德·麦克法兰，前杜维恩，现就读于布法罗大学。
