“奇异金属”中存在数十亿量子纠缠电子

研究人员在分析材料时用到了太赫兹辐射。

在实验室中的Silke Bühler-Paschen。

《科学》杂志报道，美国莱斯大学和奥地利维也纳技术大学的科学家们在研究一种由镱、铑和硅组成的“奇异金属”的电子和磁学行为时，发现数十亿的流动电子之间存在量子纠缠。这项研究提供了迄今为止最强有力的直接证据，证实了量子纠缠对量子临界的影响。论文作者、莱斯大学理论物理学家、量子材料中心（RCQM）负责人Qimiao Si说：“当提到量子纠缠时，我们首先想到的是微观物体。我们很难将它与宏观物体联系起来。然而在量子临界点，物质聚集程度极高，我们有机会一窥纠缠态的影响。”

Si长期致力于研究奇异金属和高温超导体量子相改变时的情况。深入理解这些材料的量子行为，有望为计算机、通信等领域的新技术打开新视野。

维也纳技术大学的研究人员使用一种高度复杂的材料合成技术，合成了镱-铑-硅超纯薄膜（YbRh2Si2）。当YbRh2Si2处于绝对零度环境时，会经历磁序量子相到非磁序量子相的转变。

论文作者Xinwei Li在约1.4开尔文的温度下对薄膜进行了太赫兹光谱实验，以此揭示其光电导率。

维也纳技术大学固态物理研究所科学家Silke Bühler-Paschen说：“对奇异金属而言，电阻和温度之间存在一种不同寻常的联系。与铜或金等简单金属相比，这种异常关联并非源于原子的热运动，而是由于绝对零度下的量子涨落。”

为了测量光导率，Li以太赫兹频率范围内的相干电磁辐射照射了薄膜上方，并分析了通过的太赫兹射线数量。太赫兹射线数量可作为频率和温度的函数。研究人员认为，实验揭示了“频率超过温度标度”，这是量子临界的迹象之一。

莱斯大学物理学家Kono说：“传输的太赫兹辐射总量不足0.1%，而传导率随频率变化的信号只占其中的几个百分点。想在不同温度下获取可靠数据，需要花费很多时间进行多次测量。”

YbRh2Si2薄膜的制造更具挑战性。为了让它足够薄，研究人员开发了一种独特的分子束外延系统和复杂的生长过程。镱、铑、硅同时以精确的比例蒸发。而为了满足蒸发时需要的超高能量，研究人员专门设计了一个带有两个电子束蒸发器的特制真空室。维也纳技术大学研究生Lukas Prochaska说：“我们找到了理想底物锗，它对太赫兹技术来讲是非常友好的。”

Si回忆起15年前与Bühler-Paschen进行实验讨论的场景。他们当时正在探索一类新的研究量子临界点的方法——他们认为量子临界点的关键特征是自旋和电荷之间的量子纠缠。他说：“传统观点认为，自旋部分是磁性量子临界点的关键。如果电荷和自旋产生了纠缠，那么电荷部分也会变得同样关键。”

当时的技术还无法验证这一假设。到了2016年，事情出现了转机。Si说：“从概念上讲，这确实是一个梦幻实验。我们发现的奇异行为，成为建立量子临界-量子纠缠关系的直接证据。量子纠缠是存储和处理量子信息的基础。与此同时，量子临界被认为可以驱动高温超导性。因此，我们认为量子临界可以为量子信息和高温超导提供平台。”

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编译：雷鑫宇 

审稿：alone  

责编：唐林芳

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：

https://phys.org/news/2020-01-strange-metals.html

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