Миллиарды запутанных квантовых электронов найдены в «странном металле»

В новом исследовании физики США и Австрии наблюдали квантовую запутанность среди «миллиардов миллиардов» текучих электронов в квантовом критическом материале.

Исследование, появившееся на этой неделе в журнале Science , изучило электронное и магнитное поведение «странного металлического» соединения иттербия, родия и кремния, когда оно приблизилось и прошло критический переход на границе между двумя хорошо изученными квантовыми фазами.

Исследование, проведенное в Университете Райса и Венском технологическом университете (TU Wien), является самым убедительным прямым доказательством на сегодняшний день роли запутанности в достижении квантовой критичности, сказал соавтор исследования Кимяо Си из Райс.

«Когда мы думаем о квантовой запутанности, мы думаем о мелочах», — сказал Си. «Мы не связываем это с макроскопическими объектами. Но в квантовой критической точке все настолько коллективно, что у нас есть шанс увидеть эффекты запутывания даже в металлической пленке, которая содержит миллиарды миллиардов квантовомеханических объектов».

Си, физик-теоретик и директор Центра квантовых материалов Райса (RCQM), более двух десятилетий изучал, что происходит, когда такие материалы, как странные металлы и высокотемпературные сверхпроводники, изменяют квантовые фазы. Лучшее понимание таких материалов может открыть дверь для новых технологий в области вычислительной техники, коммуникаций и многого другого.

Международная команда преодолела несколько проблем, чтобы получить результат. Исследователи из TU Wien разработали метод синтеза очень сложных материалов для производства сверхчистых пленок, содержащих одну часть иттербия на каждые две части родия и кремния (YbRh ₂ Si ₂ ). При абсолютной нулевой температуре материал претерпевает переход из одной квантовой фазы, которая формирует магнитный порядок, в другую, которая этого не делает.

В Райсе соавтор исследования Xinwei Li, аспирант лаборатории соавтора и члена RCQM Дзюнъитиро Коно, провел эксперименты по терагерцевой спектроскопии на пленках при температурах всего 1,4 Кельвина. Терагерцовые измерения показали оптическую проводимость пленок YbRh ₂ Si ₂ при их охлаждении до квантовой критической точки, которая знаменовала переход от одной квантовой фазы к другой.

«У странных металлов существует необычная связь между электрическим сопротивлением и температурой», — сказал соответствующий автор Сильке Бюлер-Пашен из Института физики твердого тела им. «В отличие от простых металлов, таких как медь или золото, это, по-видимому, связано не с тепловым движением атомов, а с квантовыми флуктуациями при абсолютной нулевой температуре».

Чтобы измерить оптическую проводимость, Li освещал когерентное электромагнитное излучение в терагерцовом диапазоне частот поверх пленок и анализировал количество терагерцовых лучей, которое прошло через функцию частоты и температуры. Эксперименты показали, что «частота по шкале температуры» является явным признаком квантовой критичности.

Коно, инженер и физик из коричневой инженерной школы Райса, сказал, что измерения были кропотливыми для Ли, который сейчас является докторантом в Калифорнийском технологическом институте. Например, только часть терагерцового излучения, попавшего на образец, прошла через детектор, и важным измерением было то, насколько эта доля выросла или упала при разных температурах.

«Было передано менее 0,1% общего терагерцового излучения, и сигнал, который представлял собой изменение проводимости в зависимости от частоты, составлял еще несколько процентов от этого», — сказал Коно. «Потребовалось много часов, чтобы получить достоверные данные при каждой температуре, чтобы усреднить их по многим, многим измерениям, и было необходимо взять данные при многих, многих температурах, чтобы доказать существование масштабирования.

«Xinwei был очень, очень терпелив и настойчив, — сказал Коно. «Кроме того, он тщательно обработал огромные объемы данных, которые он собрал, чтобы раскрыть закон масштабирования, который был действительно интересным для меня».

Делать фильмы было еще сложнее. Чтобы вырастить их достаточно тонкими, чтобы пропускать терагерцевые лучи, команда TU Wien разработала уникальную систему молекулярно-лучевой эпитаксии и сложную процедуру роста. Иттербий, родий и кремний одновременно испарялись из отдельных источников в точном соотношении 1-2-2. Из-за высокой энергии, необходимой для испарения родия и кремния, системе требовалась изготовленная на заказ сверхвысокая вакуумная камера с двумя электронно-лучевыми испарителями.

«Наша главная идея — найти идеальный субстрат: германий», — говорит аспирант TU Wien Лукас Прочаска, соавтор исследования. По его словам, германий был прозрачен для терагерца и имел «определенные атомные расстояния (которые были) практически идентичны расстояниям между атомами иттербия в YbRh ₂ Si ₂ , что объясняет превосходное качество пленок».

Си вспомнил, что обсуждал эксперимент с Бюлер-Пашеном более 15 лет назад, когда они исследовали средства тестирования нового класса квантовой критической точки. Отличительной чертой квантовой критической точки, которую они продвигали с коллегами, является то, что квантовая запутанность между спинами и зарядами является критической.

«В магнитно-квантовой критической точке общепринятая мудрость гласит, что только спиновый сектор будет критическим», — сказал он. «Но если секторы заряда и спина квантово запутаны, сектор заряда также окажется критическим».

В то время технология не была доступна для проверки гипотезы, но к 2016 году ситуация изменилась. Ту Вин мог выращивать пленки, Райс недавно установил мощный микроскоп, который мог сканировать их на наличие дефектов, а у Коно был терагерцовый спектрометр для измерения оптической проводимости. Во время творческого визита Бюлер-Пашен в Райс в том же году она, эксперт по микроскопии Си, Коно и Райс Эмили Ринг получила поддержку в реализации проекта через междисциплинарную премию за выдающиеся достижения от недавно созданной программы Райс Creative Ventures.

«Концептуально это был действительно эксперимент мечты», — сказал Си. «Исследуйте сектор заряда в магнитной квантовой критической точке, чтобы увидеть, является ли она критической, имеет ли она динамическое масштабирование. Если вы не видите ничего коллективного, это масштабирование, критическая точка должна принадлежать некоторому описанию учебного типа. Но Если вы видите нечто особенное, что на самом деле мы и сделали, то это очень прямое и новое свидетельство квантовой запутанности природы квантовой критичности ».

Си сказал, что все усилия, приложенные к исследованию, стоили того, потому что результаты имеют далеко идущие последствия.

«Квантовая запутанность является основой для хранения и обработки квантовой информации», — сказал Си. «В то же время считается, что квантовая критичность стимулирует высокотемпературную сверхпроводимость. Поэтому наши результаты показывают, что одна и та же основная физика — квантовая критичность — может привести к созданию платформы как для квантовой информации, так и для высокотемпературной сверхпроводимости. такая возможность не может не удивлять чудом природы «.

Си — профессор кафедры физики и астрономии Райс из университета Гарри К. и Ольги К. Висс. Коно — профессор кафедры электротехники и вычислительной техники, физики и астрономии, материаловедения и наноинженерии в Райс, директор программы прикладной физики Райса. Ринг сейчас учится в Кембриджском университете.

Дополнительные соавторы: Максвелл Эндрюс, Максимилиан Бонта, Вернер Шренк, Андреас Лимбек и Готфрид Штрассер, все из TU Wien; Герман Детц, ранее работавший в TU Wien, а в настоящее время в университете Брно; Элизабет Бьянко, ранее работавшая в Райс и в настоящее время работающая в Корнелльском университете; Садег Язди, ранее работавшая в Райсе и в настоящее время работающая в Колорадском университете в Боулдере; и со-ведущий автор Дональд Макфарланд, ранее из TU Wien и в настоящее время в университете в Буффало.

Исследования были поддержаны Европейским исследовательским советом (ERC-227378), Исследовательским отделом армии (W911NF-14-1-0496, W911NF-17-1-0259, W911NF-14-1-0525), Австрийским научным фондом ( FWF-W1243, P29279-N27, P29296-N27), программа Европейского союза Horizon 2020 (824109-EMP), Национальный научный фонд (DMR-1720595, DMR-1920740, PHY-1607611), Фонд Роберта А. Уэлча ( C-1411), Лос-Аламосская национальная лаборатория и Университет Райса.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Университетом Райса . Оригинал написан Джейд Бойд. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Л. Прочаска, X. Ли, Д. К. Макфарленд, А. М. Эндрюс, М. Бонта, Е. Ф. Бьянко, С. Язди, В. Шренк, Х. Детц, А. Лимбек, К. Си, Э. Ринг, Г. Штрассер, Дж. Коно, С. Пашен. Сингулярные флуктуации заряда в магнитной квантовой критической точке . Science , 2020 DOI: 10.1126 / science.aag1595