新型量子相变:首次发现成千上万个原子的量子纠缠
无论是磁铁还是超导体:材料都因其各种特性而闻名;然而,这些特性在极端条件下可能会自发改变。德累斯顿工业大学(TUD)和慕尼黑工业大学(TUM)的研究人员发现了一种全新的相变类型——它们显示了涉及许多原子的量子纠缠现象,而这种现象以前只在少数原子的领域中被观察到。
8月31日,相关研究成果以《铁磁体中中尺度量子相变的出现》为题[1],发表在《自然》杂志上。
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量子相变和纠缠
如果我们看一下水,就可以很容易地观察到一种物质自发变化的特性:在100摄氏度时,它蒸发成气体;在0摄氏度时,它冻结成冰。在这两种情况下,这些新的物质状态的形成是相变的结果:水分子重新排列,从而改变了物质的特性。磁性或超导性等特性的出现是晶体中电子发生相变的结果。对于温度接近绝对零度(-273.15摄氏度)的相变,纠缠等量子力学效应开始发挥作用,因此有了‘量子相变’。TUM拓扑学教授Christian Pfleiderer解释说:“尽管有超过30年的广泛研究致力于量子材料的相变,但我们以前认为,纠缠现象只在微观尺度上发挥作用,它每次只涉及几个原子。”
量子纠缠是物理学中最令人惊讶的现象之一,纠缠的量子粒子存在于一个共享的叠加状态,允许通常相互排斥的属性(例如,黑色和白色)同时发生。通常情况下,量子力学定律只适用于微观粒子。现在,TUD、TUM的研究小组已经成功地观察到了更大规模的量子纠缠效应,即成千上万个(many thousands of)原子的纠缠。
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化合物LiHoF4:发现全新相变
此次实验中,他们选择了著名的化合物氟化钬锂(LiHoF4)。在非常低的温度下,LiHoF4就像一个铁磁体,所有的磁矩都自发地指向同一个方向。如果你再施加一个正好垂直于首选磁性方向的磁场,磁矩将改变方向,这被称为“波动“。磁场强度越高,这些波动就越强;直到最后,铁磁性会在一个量子相变中完全消失。这导致了相邻磁矩的纠缠。"如果你把一个LiHoF4样品举到一个非常强的磁铁上,它会突然停止自发的磁性。”TUD理论固体物理学主席Matthias Vojta总结说:“科学家们发现这一现象已经25年了。”
新的是当你改变磁场的方向(φ)时会发生什么。Pfleiderer解释说:“我们发现,量子相变继续发生,而以前人们认为,即使是最小的磁场倾斜也会立即抑制它。然而,在这些条件下,经历这些量子相变的不是单个磁矩,而是广泛的磁区——即所谓的‘铁磁域’。这些域构成了指向同一方向的磁矩的整个岛屿(island)。”
这意味着,对于LiHoF4,物理学家们发现了一个全新的相变——中尺度量子临界点,它源自微观铁磁TF-QCP的教科书示例。
TUD理论固体物理学主席Matthias Vojta评论说:“我们的量子‘猫’现在有了新的皮毛,因为我们在LiHoF4中发现了一个新的量子相变,这在以前是不知道存在的。”
左图:LiHoF4的晶体单元;右图:实验研究中使用的球形样品,以确保整个样品体积内的退磁场均匀。
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为应用提供基础:量子传感、量子计算
“我们发现了一种全新的量子相变。其中纠缠发生在成千上万个原子的规模上,而不仅仅是在只有几个原子的微观世界里。“Vojta解释说:”如果你把磁域想象成一个黑白图案,新的相变会导致白色或黑色区域变得无限小,即形成一个量子图案,然后完全溶解。“一个新开发的理论模型成功地解释了从实验中获得的数据。“对于我们的分析,我们概括了现有的微观模型,也考虑到了大型铁磁域对微观特性的反馈。”在读博士生Heike Eisenlohr阐述道。
新的量子相变的发现对于研究材料中的量子现象以及新的应用来说,是一个重要的基础和一般参考框架。Vojta说:“量子纠缠被应用于量子传感器和量子计算机等技术,以及用于其他方面。”Pfleiderer补充说:“尽管我们的工作属于基础研究领域,然而,如果以可控的方式使用材料的特性,它将可以对实际应用的发展产生直接影响。”
这项研究得到了德国联邦和州政府在”量子物质复杂性和拓扑学卓越集群”(ct.qmat)和”慕尼黑量子科技中心卓越集群”(MCQST)内的卓越战略的资助。此外,这项工作还得到了欧洲研究理事会(ERC)的高级资助ExQuiSid和德国研究基金会(DFG)的合作研究中心(SFB)和TRR80的支持[2]。
参考链接:
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04995-5
[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/09/220902103303.htm
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