在一项新的研究中，美国和奥地利的物理学家观察到，在一种量子临界材料中，“数十亿”的流动电子之间存在量子纠缠。
这项研究发表在本周的《科学》(Science)杂志上，研究了一种由镱、铑和硅组成的“奇怪金属”化合物的电子和磁性行为。
莱斯大学和维也纳理工大学(TU Wien)的这项研究提供了迄今为止最有力的直接证据，证明了量子纠缠在导致量子临界方面的作用，该研究的合著者、莱斯大学的斯齐麦奥(Qimiao Si)说。
“当我们想到量子纠缠时，我们想到的是小事，”Si说。“我们不会把它和宏观物体联系起来。但在量子临界点，物质是如此的聚集，我们有机会看到纠缠态的影响，即使是在一个包含数十亿个量子力学物体的金属薄膜中。”
作为理论物理学家和莱斯量子材料中心(RCQM)的主任，Si花费了20多年的时间来研究奇异金属和高温超导体等材料改变量子相时会发生什么。更好地理解这些材料可以为计算机、通信等领域的新技术打开大门。
国际代表队克服了几个挑战才取得了这个结果。德国工业大学的研究人员开发了一种高度复杂的材料合成技术，以每两份铑和硅(YbRh2Si2)合成一份镱(ytterbium)的超纯薄膜。在绝对零度时，材料经历了从一个形成磁序的量子相到另一个不形成磁序的量子相的转变。
在莱斯大学，该研究的主要作者之一李新伟，当时是该研究的合作者和RCQM成员Junichiro Kono实验室的一名研究生，在低至1.4开尔文的温度下对这些薄膜进行了太赫兹光谱实验。太赫兹测量揭示了YbRh2Si2薄膜的光电导率，因为它们被冷却到一个量子临界点，标志着从一个量子相到另一个量子相的转变。
“对于奇怪的金属，电阻和温度之间有一种不寻常的联系，”德国维也纳大学固态物理研究所的通讯作者西尔克·布尔-帕森说。“与铜或金等简单金属相比，这似乎不是由于原子的热运动，而是由于绝对零度温度下的量子涨落。”
为了测量光导率，李在薄膜的顶部照射了太赫兹频率范围内的相干电磁辐射，并分析了通过的太赫兹射线的数量作为频率和温度的函数。作者们说，实验揭示了“频率超过温度标度”，这是量子临界的一个明显迹象。
科诺是莱斯布朗工程学院的工程师和物理学家。他说，对李来说，这些测量工作很辛苦。例如，照射在样品上的太赫兹辐射只有一小部分通过检测器，重要的测量是在不同的温度下这部分辐射上升或下降了多少。
河野说:“传输的太赫兹辐射总量不到0.1%，而传导率随频率变化的信号只占其中的几个百分点。”“在不同温度下获取可靠的数据，进行多次测量，平均需要花费很多小时。为了证明积垢的存在，需要获取很多温度下的数据。”
河野说:“昕薇非常非常有耐心，而且坚持不懈。“此外，他还对自己收集的大量数据进行了仔细的处理，以揭示尺度定律，这对我来说真的很有吸引力。”
制作这些电影更具挑战性。为了让它们长得足够薄，能够通过太赫兹射线，德国维也纳大学的研究小组开发了一种独特的分子束外延系统和一个复杂的生长过程。镱、铑和硅同时从不同来源以精确的1-2-3比例蒸发。由于蒸发铑和硅需要很高的能量，该系统需要一个带有两个电子束蒸发器的特制超高真空室。
“我们的不确定因素是找到了最理想的底物:锗，”德国工业大学研究生卢卡斯·普罗查斯卡(Lukas Prochaska)说。锗对太赫兹是透明的，并且“在某些原子距离上与YbRh2Si2中的镱原子几乎相同，这就解释了这些薄膜的优良品质，”他说。
Si回忆起15年前与Buhler-Paschen讨论的实验，当时他们正在探索测试一类新的量子临界点的方法。他们与同事提出的量子临界点的特征是自旋和电荷之间的量子纠缠是关键的。
他说:“在磁性量子临界点上，传统观点认为只有自旋部分才是关键的。”“但如果电荷和自旋部分纠缠于量子，电荷部分最终也会成为关键。”
当时，这项技术还无法验证这一假设，但到了2016年，情况发生了变化。TU Wien可以种植这些薄膜，Rice最近安装了一个强大的显微镜来扫描它们的缺陷，Kono有太赫兹光谱仪来测量光导率。在那一年Buhler-Paschen对Rice的休假访问期间，她、Si、Kono和水稻显微镜专家Emilie Ringe获得了Rice新成立的Creative Ventures项目的跨学科优等奖，以支持开展该项目。
“从概念上讲，这确实是一个梦幻实验，”司说。“探测磁量子临界点的电荷区，看看它是否临界，它是否具有动态标度。如果你没有看到任何集合，那就是缩放，临界点必须属于某种教科书类型的描述。但是，如果你看到一些奇异的东西，事实上我们确实看到了，那么它就是量子临界的量子纠缠性质的非常直接和新的证据。”
Si说，这项研究的所有努力都是值得的，因为这些发现意义深远。
“量子纠缠是存储和处理量子信息的基础，”Si说。“与此同时，量子临界被认为可以驱动高温超导性。因此，我们的发现表明，同样的基础物理——量子临界——可以为量子信息和高温超导提供一个平台。当一个人思考这种可能性时，他不禁会对大自然的奇迹感到惊奇。”
Si是莱斯大学物理与天文系的Harry C.和Olga K. Wiess教授。河野是莱斯大学电子与计算机工程、物理与天文、材料科学与纳米工程等系的教授，也是莱斯大学应用物理研究生项目的主任。Ringe现在在剑桥大学工作。
其他合著者还包括马克斯韦尔·安德鲁斯、马克西米利安·邦塔、维尔纳·施伦克、安德烈亚斯·林贝克和戈特弗里德·斯特拉瑟，他们都是维也纳大学的学生;Hermann Detz，曾就职于维也纳大学，现就职于布尔诺大学;伊丽莎白·比安科(Elisabeth Bianco)，前莱斯大学教授，目前在康奈尔大学;Sadegh Yazdi，前莱斯大学学生，目前在科罗拉多大学博尔德分校;该研究的共同作者唐纳德·麦克法兰德(Donald MacFarland)曾就职于维也纳大学，目前就职于布法罗大学。
这项研究是支持的欧洲研究委员会(erc - 227378),陆军研究办公室(w911nf w911nf - 14 - 1 - 0496 - 17 - 1 - 0259, w911nf - 14 - 1 - 0525),奥地利科学基金(FWF-W1243, P29279-N27 P29296-N27),欧盟的地平线2020项目(824109 - emp),美国国家科学基金会(dmr dmr - 1720595——1920740, phy - 1607611),罗伯特·韦尔奇基金会(c - 1411),洛斯阿拉莫斯国家实验室和莱斯大学。
