Исследование обнаруживает миллиарды квантовых запутанных электронов в «странном металле»

В новом исследовании американские и австрийские физики наблюдали квантовую запутанность среди «миллиардов миллиардов» электронов в квантовом материале.

Исследование, появившееся на этой неделе, изучило электронное и магнитное поведение «странного металлического» соединения иттербия, родия и кремния, когда оно (соединение) 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 Цимяо Си.

«Когда мы думаем о квантовой запутанности, мы думаем о мелочах», — говорит Цимяо 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 ученых 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 (YbRh2Si2).

При абсолютной нулевой температуре материал претерпевает переход из одной квантовой фазы, которая формирует магнитный порядок, в другую, которая этого не делает.

Ученые провели эксперименты по терагерцевой спектроскопии на пленках при температурах всего 1,4 Кельвина. Терагерцовые измерения показали оптическую проводимость пленок YbRh2Si2 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», — говорят исследователи. «В отличие от простых металлов, таких как медь или золото, у них это, по-видимому, связано не с тепловым движением атомов, а с квантовыми флуктуациями при абсолютной нулевой температуре».

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

Измерения были кропотливыми — 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.

Потребовалось много часов, чтобы получить достоверные данные при каждой температуре, чтобы усреднить их по многим измерениям, и было необходимо взять данные при многих температурах, чтобы доказать существование масштабирования.

Создать пленки было еще сложнее. Чтобы вырастить их достаточно тонкими, чтобы они могли 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.

Ученые говорят, 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 Цимяо Си. «В то же время считается, что квантовая критичность стимулирует высокотемпературную сверхпроводимость. Таким образом, наши результаты показывают, что одна и та же физика — квантовая критичность — может привести к созданию платформы как для квантовой информации, так и для высокотемпературной сверхпроводимости. Когда рассматривается такая возможность, нельзя не восхищаться чудом природы».

Singular charge fluctuations at a magnetic quantum critical point. DOI: 10.1126/science.aag1595