Миллиарды квантовых запутанных электронов в странный металл’

В новом исследовании, американские и австрийские физики наблюдали квантовую запутанность среди «миллиарды миллиардов» пропускать электроны в квантовых критических материалов.

Исследование, которое появится на этой неделе в науке, рассмотрены электронные и магнитные поведение «странных металлов» соединение иттербия, родий и кремния, так как он, как приблизился и прошел через критическую перехода на границе между двумя хорошо изученные квантовые фазы.

Исследование Университета Райс и Венском технологическом университете (техническом университете Вены) обеспечивает сильнейший прямых доказательств на сегодняшний день роль запутанности в квантовой критичности, сказал соавтор исследования Чимяо в системе СИ рис.

«Когда мы думаем о квантовой запутанности, мы думаем о мелочах,» — Си-Саид. «Мы не связываем это с макроскопическими объектами. Но в квантовой критической точке, вещи настолько коллективные, что у нас есть шанс увидеть последствия запутывания, даже в металлическую пленку, которая содержит миллиарды миллиардов квантово-механические объекты.»

Си, физик-теоретик и директор Райс Центра квантовых материалов (RCQM), уже более двух десятилетий изучает, что происходит, когда такие материалы, как странно металлов и высокотемпературных сверхпроводников изменить квантовые фазы. Лучшее понимание таких материалов может открыть двери для новых технологий в вычислительной технике, связи и многое другое.

Международная команда преодолела ряд проблем, чтобы получить результат. Исследователи ту Вена разработали сложнейшие методики синтеза материалов для производства сверхчистых пленок, содержащих одну часть иттербия на каждые две части родия и кремния (YbRh2Si2). При абсолютном нуле температуры, материал подвергается переходу от одной квантовой фазе, которая образует магнитного порядка в другой, что нет.

На рис, соавтор исследования и ведущий автор Синьвэй ли, тогда аспирант в лаборатории соавтора и RCQM член Юничиро Коно, проведенные эксперименты терагерцовой спектроскопии на пленках при температурах 1.4 Кельвина. Измерения терагерцового выявлено оптической проводимости YbRh2Si2 фильмы, как они были охлаждены до квантовой критической точки, что ознаменовало переход от одной квантовой фазы в другую.

«Со странными металлами, существует необычная связь между электрическим сопротивлением и температурой», — сказал автор Силке Бюлер-Пашена Института ту Вена по физике твердого тела. «В отличие от простых металлов, таких как медь или золото, это не представляется из-за теплового движения атомов, но в квантовых колебаний при абсолютном нуле температуры.»

Для измерения оптической проводимости, ли светил когерентного электромагнитного излучения в терагерцовый диапазон на верхней части фильмов и проанализировали количество терагерцового излучения, прошедшего через как функция частоты и температуры. В ходе экспериментов выяснилось, «частота вертикального температуры,» признак квантовой критичности, авторы сказали.

Коно, инженер и физик в школе коричневого риса инженерной, сказал, что замеры были трудно ли, кто сейчас постдок в Калифорнийском технологическом институте. Например, только часть терагерцового излучения светил на образец прошел через детектор, и важные измерения, сколько это дробь поднимались или опускались при различных температурах.

«Менее чем 0,1% от общего терагерцового излучения был передан, и сигнал, который был вариацией проводимости как функции частоты, был еще на несколько процентов, что,» сказал Коно. «Потребовалось много часов, чтобы взять достоверные данные при каждой температуре в среднем в течение многих, многих измерений, и было необходимо взять данные за многие, многие температурах, чтобы доказать существование расширения.

«Синьвэй был очень, очень терпеливым и настойчивым,» Коно сказал. «Кроме того, он тщательно обработала огромные объемы данных, которые он собирал для того, чтобы реализовать закон масштабирования, который был действительно захватывающим для меня.»

Что делает фильмы еще более сложной. Вырастить их достаточно тонкими, чтобы пройти терагерцового излучения, команды ту Вена была разработана уникальная молекулярная система лучевой эпитаксии и сложной процедуры роста. Иттербий, родий и кремния одновременно испарились из разных источников в точном соотношении 1-2-2. Из-за высокого энергии, необходимой для испарения родий и кремния, системы требуется на заказ ультравысокой вакуумной камеры с двумя электронно-лучевых испарителей.

«Наши дикие карты был выбор субстрата: Германий», — сказал ту Вена аспиранта Лукаша Прочаски исследование со-ведущий автор. Германия была прозрачной для терагерцового и у «некоторых атомных расстояний (которые были) практически идентичны между атомами иттербия в YbRh2Si2, что объясняет отличное качество фильмов», — сказал он.

Си напоминает, обсуждая эксперимент с Бюлер-Пашена более 15 лет назад, когда они изучают средства для тестирования нового класса квантовых критических точек. Отличительной чертой квантовой критической точки, что они наступали с коллегами заключается в том, что квантовая запутанность между спинами и сборов является критическим.

«В магнитной квантовой критической точки, житейская мудрость подсказывает, что будет иметь решающее значение только в секторе спина», — сказал он. «Но если заряд и спин секторов квантово-запутанных, заряд сектор будет в конечном итоге так и критические.»

В то время, технология не была доступна для проверки гипотезы, но к 2016 году ситуация изменилась. Ту Вена может вырасти пленок, рис недавно установлен мощный микроскоп, который может сканировать их на наличие дефектов, и Коно были терагерцового спектрометра для измерения оптической проводимости. Во Бюлер-Пашена посетить отпуск на Рис, что года она, С. И., Коно и экспертов рис микроскопии Эмили ринге получил поддержку вести проект по междисциплинарному отличия от вновь созданной программы Creative Райс предприятий.

«По существу, это был действительно эксперимент, мечта,» — Си-Саид. «Зонд-заряд сектор на магнитной квантовой критической точки, чтобы видеть, является ли это критично, будет ли он динамическим масштабированием. Если вы не видите ничего, что коллектив, это масштабирование, критическая точка должна принадлежать к какой-нибудь тип учебника описание. Но, если вы видите, что единственное, что собственно мы и делали, то это очень прямые и новые свидетельства в пользу квантовой запутанности природы квантовой критичности.»

Си сказал, что все усилия, которые вошли в исследование были хорошо стоит, потому что результаты имеют далеко идущие последствия.

«Квантовая запутанность является основой для хранения и обработки квантовой информации», — сказал Си. «В то же время, квантовая критичность считается привода высокотемпературной сверхпроводимости. Итак, наши результаты показывают, что один и тот же базовый физика — квантовая критичность-может привести к платформой как для квантовой информации и высокотемпературной сверхпроводимости. Когда ты рассматриваешь такую возможность, никто не может помочь, но полюбоваться на чудо природы.»

Si-это Гарри С. И О. К. профессор Wiess в отделе Райс физики и астрономии. Коно-профессор в отделах Рис по электротехнике и компьютерной инженерии, физики и астрономии, материаловедения и наноинженерии и директор прикладной физики Райс выпускник. Ринге сейчас в Университете Кембриджа.

Дополнительные соавторы включают Максвелл Эндрюс, Максимилиан Бонта, Вернер Шренка, Андреас Limbeck и Готфрид Штрассер, все ту Вена; Герман Detz, ранее в техническом университете Вены и в настоящее время в Брно университет; Элизабет Bianco, ранее риса и в настоящее время в Корнельском университете; Садег Язди, ранее риса и в настоящее время в Университете Колорадо в Боулдере; и со-ведущий автор Доналд Макфарланд, бывший в ту Вена и в настоящее время в университете в Буффало.

Исследование осуществлено при поддержке Европейского исследовательского совета (ERC-227378), армия исследованиям (W911NF-14-1-0496, W911NF-17-1-0259, W911NF-14-1-0525), австрийским научным фондом (fwf-W1243, P29279-от 27, P29296-от 27), Европейского Союза «Горизонт 2020» Программа (824109-ПУЭ), Национальный научный фонд (ДМБ-1720595, ДМР-1920740, фи-1607611), фонд Роберта А. Уэлча (с-1411), Лос-Аламосской Национальной лаборатории и Университета Райса.

сделать разницу: спонсорские возможности