科学家在这种“奇怪金属”中发现了数十亿量子纠缠电子

Winnie Lee · 2020-01-20 10:28:14　来源：前瞻网　

在一项新的研究中，美国和奥地利的物理学家观察到，在一种量子临界材料中，“数十亿”的流动电子之间存在量子纠缠。

这项研究发表在近日的《科学》(Science)杂志上，研究了一种由镱、铑和硅组成的“奇怪金属”化合物的电子和磁性行为。

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，证明了量子纠缠在导致量子临界方面的作用，该研究的合著者、莱斯大学的Qimiao Si说。

“当我们想到量子纠缠时，我们想到的是很小的事物，”Si说。

“我们不会把它和宏观物体联系起来。但在量子临界点，物质是如此的聚集，我们有机会看到纠缠态的影响，即使是在一个包含数十亿个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花费了20多年的时间来研究奇异金属和高温超导体等材料改变量子相时会发生什么。

更好地理解这些材料可以为计算机、通信等领域的新技术打开大门。

国际研究团队克服了几个挑战才取得了这个结果。

德国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，以每两份铑和硅(YbRh2Si2)合成一份镱(ytterbium)的超纯薄膜。

在绝对零度时，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，该研究的主要作者之一Xinwei Li，当时是该研究的合作者和RCQM成员Junichiro Kono实验室的一名研究生，在低至1.4开尔文的温度下对这些薄膜进行了太赫兹光谱实验。

太赫兹测量揭示了YbRh2Si2薄膜的光电导率，因为它们被冷却到一个量子临界点，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，”德国维也纳大学固态物理研究所的通讯作者西尔克·布尔-帕森(Silke Bühler-Paschen)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涨落。”

研究中的测量更具挑战性。德国维也纳大学的研究小组开发了一种独特的分子束外延系统和一个复杂的生长过程。

镱、铑和硅同时从不同来源以精确的1-2-2比例蒸发。由于蒸发铑和硅需要很高的能量，该系统需要一个带有两个电子束蒸发器的特制超高真空室。

“我们的不确定因素是找到了最理想的底物:锗，”德国工业大学研究生卢卡斯·普罗查斯卡(Lukas Prochaska)说。

锗对太赫兹是透明的，并且“在某些原子距离上与YbRh2Si2中的镱原子几乎相同，这就解释了这些薄膜的优良品质，”他说。

Si回忆起15年前与Buhler-Paschen讨论的实验，当时他们正在探索测试一类新的量子临界点的方法。

他们与同事提出的量子临界点的特征是自旋和电荷之间的量子纠缠是关键的。

他说:“在磁性量子临界点上，传统观点认为只有自旋部分才是关键的。”

“但如果电荷和自旋部分纠缠于量子，电荷部分最终也会成为关键。”

当时，这项技术还无法验证这一假设，但到了2016年，情况发生了变化。

Si说，这项研究的所有努力都是值得的，因为这些发现意义深远。

“量子纠缠是存储和处理量子信息的基础，”Si说，“与此同时，量子临界被认为可以驱动高温超导性。因此，我们的发现表明，同样的基础物理——量子临界——可以为量子信息和高温超导提供一个平台。”

原文出处：

Billions of quantum entangled electrons found in 'strange metal'

作者：Rice University

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