研讨发现奇特金属中存在数十亿量子羁绊电子

在一项新的研讨中，美国和奥地利的物理学家观察到，在一种量子临界材猜中，“数十亿”的活动电子之间存在量子羁绊。

这项研讨宣布在本周的《科学》(Science)杂志上，研讨了一种由镱、铑和硅组成的“古怪金属”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)的这项研讨供给了迄今为止最有力的直接依据，证明了量子羁绊在导致量子临界方面的效果，该研讨的合著者、莱斯大学的斯齐麦奥(Qimiao Si)说。

“当咱们想到量子羁绊时，咱们想到的是小事，”Si说。“咱们不会把它和微观物体联络起来。但在量子临界点，物质是如此的调集，咱们有时机看到羁绊态的影响，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猜中心(RCQM)的主任，Si花费了20多年的时刻来研讨奇特金属和高温超导体等资料改动量子相时会发作什么。更好地了解这些资料能够为计算机、通讯等范畴的新技能翻开大门。

世界代表队克服了几个应战才取得了这个成果。德国工业大学的研讨人员开发了一种高度杂乱的资料组成技能，以每两份铑和硅(YbRh2Si2)组成一份镱(ytterbium)的超纯薄膜。在绝对零度时，资料阅历了从一个构成磁序的量子相到另一个不构成磁序的量子相的改变。

在莱斯大学，该研讨的首要作者之一李新伟，其时是该研讨的合作者和RCQM成员Junichiro Kono试验室的一名研讨生，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试验。太赫兹丈量提醒了YbRh2Si2薄膜的光电导率，由于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改变。

“关于古怪的金属，电阻和温度之间有一种不寻常的联络，”德国维也纳大学固态物理研讨所的通讯作者西尔克·布尔-帕森说。“与铜或金等简略金属比较，这好像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。”

为了丈量光导率，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，并剖析了经过的太赫兹射线的数量作为频率和温度的函数。作者们说，试验提醒了“频率超越温度标度”，这是量子临界的一个显着痕迹。

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，这些丈量作业很辛苦。例如，照射在样品上的太赫兹辐射只要一小部分经过检测器，重要的丈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%，而传导率随频率改变的信号只占其间的几个百分点。”“在不同温度下获取牢靠的数据，进行屡次丈量，均匀需求花费许多小时。为了证明积垢的存在，需求获取许多温度下的数据。”

河野说:“昕薇十分十分有耐性，而且持之以恒。“此外，他还对自己搜集的很多数据进行了细心的处理，以提醒标准规律，这对我来说真的很有吸引力。”

制造这些电影更具应战性。为了让它们长得满足薄，能够经过太赫兹射线，德国维也纳大学的研讨小组开发了一种一起的分子束外延体系和一个杂乱的成长进程。镱、铑和硅一起从不同来历以准确的1-2-3份额蒸腾。由于蒸腾铑和硅需求很高的能量，该体系需求一个带有两个电子束蒸腾器的特制超高真空室。

“咱们的不确定要素是找到了最理想的底物:锗，”德国工业大学研讨生卢卡斯·普罗查斯卡(Lukas Prochaska)说。锗对太赫兹是通明的，而且“在某些原子间隔上与YbRh2Si2中的镱原子简直相同，这就解说了这些薄膜的优秀质量，”他说。

Si回忆起15年前与Buhler-Paschen评论的试验，其时他们正在探究测验一类新的量子临界点的办法。他们与搭档提出的量子临界点的特征是自旋和电荷之间的量子羁绊是要害的。

他说:“在磁性量子临界点上，传统观念认为只要自旋部分才是要害的。”“但假如电荷和自旋部分羁绊于量子，电荷部分终究也会成为要害。”

其时，这项技能还无法验证这一假定，但到了2016年，状况发作了改变。TU Wien能够栽培这些薄膜，Rice最近安装了一个强壮的显微镜来扫描它们的缺点，Kono有太赫兹光谱仪来丈量光导率。在那一年Buhler-Paschen对Rice的度假访问期间，她、Si、Kono和水稻显微镜专家Emilie Ringe获得了Rice新建立的Creative Ventures项目的跨学科优等奖，以支撑展开该项目。

“从概念上讲，这的确是一个梦境试验，”司说。“勘探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。假如你没有看到任何调集，那便是缩放，临界点有必要归于某种教科书类型的描绘。可是，假如你看到一些奇特的东西，事实上咱们的确看到了，那么它便是量子临界的量子羁绊性质的十分直接和新的依据。”

Si说，这项研讨的一切尽力都是值得的，由于这些发现含义深远。

“量子羁绊是存储和处理量子信息的根底，”Si说。“与此一起，量子临界被认为能够驱动高温超导性。因而，咱们的发现标明，相同的根底物理——量子临界——能够为量子信息和高温超导供给一个渠道。当一个人考虑这种可能性时，他不由会对大自然的奇观感到惊讶。”

Si是莱斯大学物理与地理系的Harry C.和Olga K. Wiess教授。河野是莱斯大学电子与计算机工程、物理与地理、资料科学与纳米工程等系的教授，也是莱斯大学使用物理研讨生项目的主任。Ringe现在在剑桥大学作业。其他合著者还包含马克斯韦尔·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，曾上任于维也纳大学，现上任于布尔诺大学;伊丽莎白·比安科(Elisabeth Bianco)，前莱斯大学教授，现在在康奈尔大学;Sadegh Yazdi，前莱斯大学学生，现在在科罗拉多大学博尔德分校;该研讨的一起作者唐纳德·麦克法兰德(Donald MacFarland)曾上任于维也纳大学，现在上任于布法罗大学。