У новому дослідженні американські та австрійські фізики спостерігали квантову заплутаність серед «мільярдів мільярдів» електронів у квантовому матеріалі.
Дослідження, що з'явилося на цьому тижні, вивчило електронну і магнітну поведінку «дивного металевого» з'єднання іттербію, родію і кремнію, коли воно (з'єднання) наблизилося і пройшло критичний перехід на кордоні між двома добре вивченими квантовими фазами.
Дослідження, проведене в Університеті Райса і Віденському технологічному університеті (TU Wien), є найбільш переконливим прямим доказом на сьогоднішній день ролі заплутаності в досягненні квантової критичності, сказав співавтор дослідження Цімяо Сі.
«Коли ми думаємо про квантову заплутаність, ми думаємо про дрібниці», - говорить Цімяо Сі. "Ми не пов'язуємо це з макроскопічними об'єктами. Але в квантовій критичній точці все настільки колективно, що у нас є шанс побачити ефекти заплутування навіть у металевій плівці, яка містить мільярди мільярдів квантовомеханічних об'єктів ".
Сі, фізик-теоретик і директор Центру квантових матеріалів Райса (RCQM), більше двох десятиліть вивчав, що відбувається, коли такі матеріали, як дивні метали і високотемпceні надпровідники, змінюють квантові фази. Краще розуміння таких матеріалів може відкрити двері для нових технологій в області обчислювальної техніки, комунікацій і багато чого іншого.
Міжнародна команда вчених подолала кілька проблем, щоб отримати результат. Дослідники з TU Wien розробили метод синтезу дуже складних матеріалів для виробництва надчистих плівок, що містять одну частину іттербію на кожні дві частини родію і кремнію (YbRh2Si2).
При абсолютній нульовій температурі матеріал зазнає переходу з однієї квантової фази, яка формує магнітний порядок, в іншу, яка цього не робить.
Вчені провели експерименти з терагерцової спектроскопії на плівках при температурах всього 1,4 Кельвіна. Терагерцеві вимірювання показали оптичну провідність плівок YbRh2Si2 при їх охолодженні до квантової критичної точки, яка знаменувала перехід від однієї квантової фази до іншої.
«У дивних металів існує незвичайний зв'язок між електричним опором і температурою», - кажуть дослідники. «На відміну від простих металів, таких як мідь або золото, у них це, мабуть, пов'язано не з тепловим рухом атомів, а з квантовими флуктуаціями при абсолютній нульовій температурі».
Щоб виміряти оптичну провідність, вчені освітлювали когерентне електромагнітне випромінювання в терагерцевому діапазоні частот поверх плівок і аналізували кількість терагерцевих променів, яке пройшло через функцію частоти і температури. Експерименти показали, що «частота за шкалою температури» є явною ознакою квантової критичності.
Вимірювання були копіткими - наприклад, тільки частина терагерцевого випромінювання, що потрапило на зразок, пройшла через детектор, і важливим виміром було те, наскільки ця частка зросла або впала при різних температурах.
Було передано менше 0,1% загального терагерцевого випромінювання, і сигнал, який являв собою зміну провідності в залежності від частоти, становив ще кілька відсотків від цього.
Потрібно було багато годин, щоб отримати достовірні дані при кожній температурі, щоб усереднити їх за багатьма вимірами, і було необхідно взяти дані при багатьох температурах, щоб довести існування масштабування.
Створити плівки було ще складніше. Щоб виростити їх досить тонкими, щоб вони могли пропускати терагерцеві промені, команда TU Wien розробила унікальну систему молекулярно-променевої епітаксії і складну процедуру зростання.
Іттербій, родій і кремній одночасно випаровувалися з окремих джерел у точному співвідношенні 1-2-2. Через високу енергію, необхідну для випаровування родію і кремнію, системі потрібна була виготовлена на замовлення надвисока вакуумна камера з двома електронно-променевими випарювачами.
Вчені кажуть, що всі зусилля, докладені до дослідження, варті того, тому що результати мають далекосяжні наслідки.
«Квантова заплутаність є основою для зберігання і обробки квантової інформації», - сказав Цімяо Сі. "У той же час вважається, що квантова критичність стимулює високотемпceну надпровідність. Таким чином, наші результати показують, що одна і та ж фізика - квантова критичність - може призвести до створення платформи як для квантової інформації, так і для високотемпceної надпровідності. Коли розглядається така можливість, не можна не захоплюватися дивом природи ".