In een nieuwe studie, Amerikaanse en Oostenrijkse natuurkundigen hebben kwantumverstrengeling waargenomen tussen "miljarden miljarden" stromende elektronen in een kwantumkritisch materiaal.

Het onderzoek, die deze week verschijnt in Wetenschap , onderzocht het elektronische en magnetische gedrag van een "vreemde metalen" verbinding van ytterbium, rhodium en silicium toen het zowel een kritieke overgang naderde als passeerde op de grens tussen twee goed bestudeerde kwantumfasen.

De studie aan de Rice University en de Technische Universiteit van Wenen (TU Wien) levert het sterkste directe bewijs tot nu toe van de rol van verstrengeling bij het tot stand brengen van kwantumkritiek, zei co-auteur Qimiao Si van Rice.

"Als we denken aan kwantumverstrengeling, we denken aan kleine dingen, Si zei. "We associëren het niet met macroscopische objecten. Maar op een kwantumkritisch punt, dingen zijn zo collectief dat we de kans hebben om de effecten van verstrengeling te zien, zelfs in een metalen film die miljarden miljarden kwantummechanische objecten bevat."

Si, een theoretisch fysicus en directeur van het Rice Center for Quantum Materials (RCQM), heeft meer dan twee decennia besteed aan het bestuderen van wat er gebeurt als materialen zoals vreemde metalen en supergeleiders op hoge temperatuur de kwantumfasen veranderen. Een beter begrip van dergelijke materialen zou de deur kunnen openen naar nieuwe technologieën op het gebied van informatica, communicatie en meer.

Het internationale team overwon verschillende uitdagingen om tot het resultaat te komen. Onderzoekers van de TU Wien ontwikkelden een zeer complexe materiaalsynthesetechniek om ultrazuivere films te produceren die één deel ytterbium bevatten voor elke twee delen rhodium en silicium (YbRh2Si2). Bij absolute nultemperatuur, het materiaal ondergaat een overgang van de ene kwantumfase die een magnetische orde vormt naar een andere die dat niet doet.

bij rijst, studie co-hoofdauteur Xinwei Li, vervolgens een afgestudeerde student in het lab van co-auteur en RCQM-lid Junichiro Kono, voerde terahertz-spectroscopie-experimenten uit op de films bij temperaturen zo laag als 1,4 Kelvin. De terahertz-metingen onthulden de optische geleidbaarheid van de YbRh2Si2-films toen ze werden afgekoeld tot een kwantumkritisch punt dat de overgang van de ene kwantumfase naar de andere markeerde.

"Met vreemde metalen, er een ongebruikelijk verband is tussen elektrische weerstand en temperatuur, " zei corresponderende auteur Silke Bühler-Paschen van het Instituut voor Vaste-stoffysica van de TU Wien. "In tegenstelling tot eenvoudige metalen zoals koper of goud, dit lijkt niet te wijten te zijn aan de thermische beweging van de atomen, maar voor kwantumfluctuaties bij de temperatuur van het absolute nulpunt."

Om optische geleidbaarheid te meten, Li scheen coherente elektromagnetische straling in het terahertz-frequentiebereik bovenop de films en analyseerde de hoeveelheid terahertz-straling die er doorheen ging als een functie van frequentie en temperatuur. De experimenten onthulden "frequentie over temperatuurschaal, " een veelbetekenend teken van kwantumkritiek, zeiden de auteurs.

Kono, een ingenieur en natuurkundige in Rice's Brown School of Engineering, zei dat de metingen nauwgezet waren voor Li, die nu een postdoctoraal onderzoeker is aan het California Institute of Technology. Bijvoorbeeld, slechts een fractie van de terahertz-straling scheen op het monster dat door de detector ging, en de belangrijke meting was hoeveel die fractie steeg of daalde bij verschillende temperaturen.

"Minder dan 0,1% van de totale terahertz-straling werd uitgezonden, en het signaal dat was de variatie van geleidbaarheid als functie van frequentie, was daar nog een paar procent van, "Zei Kono. "Het kostte vele uren om betrouwbare gegevens bij elke temperatuur te nemen om het gemiddelde te nemen over vele, veel metingen, en het was nodig om bij veel, veel temperaturen om het bestaan ​​van kalkaanslag te bewijzen.

"Xinwei was erg, erg geduldig en volhardend, " zei Kono. "Bovendien, hij heeft de enorme hoeveelheden gegevens die hij verzamelde zorgvuldig verwerkt om de schaalwet te ontvouwen, dat was echt fascinerend voor mij."

Het maken van de films was nog een grotere uitdaging. Om ze dun genoeg te laten worden om terahertz-stralen door te laten, het TU Wien-team ontwikkelde een uniek moleculaire bundelepitaxiesysteem en een uitgebreide groeiprocedure. Ytterbium, rhodium en silicium werden gelijktijdig verdampt uit afzonderlijke bronnen in de exacte 1-2-2 verhouding. Vanwege de hoge energie die nodig is om rhodium en silicium te verdampen, het systeem vereiste een op maat gemaakte ultrahoogvacuümkamer met twee elektronenstraalverdampers.

"Onze wildcard was het vinden van het perfecte substraat:germanium, " zei TU Wien afgestudeerde student Lukas Prochaska, een studie co-lead auteur. Het germanium was transparant voor terahertz, en had "bepaalde atomaire afstanden (die) praktisch identiek waren aan die tussen de ytterbium-atomen in YbRh2Si2, wat de uitstekende kwaliteit van de films verklaart, " hij zei.

Si herinnerde zich dat hij het experiment meer dan 15 jaar geleden met Bühler-Paschen besprak toen ze de middelen verkenden om een ​​nieuwe klasse van kwantumkritieke punten te testen. Het kenmerk van het kwantumkritieke punt dat ze met collega's naar voren brachten, is dat de kwantumverstrengeling tussen spins en ladingen van cruciaal belang is.

"Op een magnetisch kwantumkritisch punt, conventionele wijsheid dicteert dat alleen de spinsector kritisch zal zijn, " zei hij. "Maar als de ladings- en spinsectoren kwantumverstrengeld zijn, de laadsector zal uiteindelijk ook kritisch worden."

Destijds, de technologie was niet beschikbaar om de hypothese te testen, maar tegen 2016, de situatie was veranderd. TU Wien zou de films kunnen laten groeien, Rice had onlangs een krachtige microscoop geïnstalleerd die ze kon scannen op defecten, en Kono had de terahertz-spectrometer om de optische geleidbaarheid te meten. Tijdens Bühler-Paschen's sabbatical bezoek aan Rice dat jaar, ze, Si, Emilie Ringe, microscopie-expert van Kono en Rice, kreeg steun om het project voort te zetten via een Interdisciplinair Excellence Award van Rice' nieuw opgerichte Creative Ventures-programma.

"Conceptueel, het was echt een droomexperiment, Si zei. Onderzoek de ladingssector op het magnetische kwantumkritieke punt om te zien of het kritiek is. of het dynamische schaling heeft. Als je niets collectiefs ziet, dat is schalen, het kritieke punt moet bij een soort leerboekbeschrijving horen. Maar, als je iets bijzonders ziet, wat we in feite deden, dan is het heel direct en nieuw bewijs voor de kwantumverstrengeling van kwantumkritiek."

Si zei dat alle inspanningen die in de studie zijn gestoken de moeite waard waren, omdat de bevindingen verstrekkende gevolgen hebben.

"Kwantumverstrengeling is de basis voor opslag en verwerking van kwantuminformatie, " zei Si. "Tegelijkertijd, Aangenomen wordt dat kwantumkritiek de supergeleiding bij hoge temperaturen stimuleert. Onze bevindingen suggereren dus dat dezelfde onderliggende fysica - kwantumkritiek - kan leiden tot een platform voor zowel kwantuminformatie als supergeleiding bij hoge temperaturen. Wanneer men die mogelijkheid overweegt, men kan niet anders dan zich vergapen aan het wonder van de natuur."

Si is de Harry C. en Olga K. Wiess Professor in Rice's Department of Physics and Astronomy. Kono is een professor in de afdelingen Electrical and Computer Engineering van Rice, Natuurkunde en Sterrenkunde, en Materials Science en NanoEngineering en de directeur van Rice's Applied Physics Graduate Program. Ringe is nu aan de Universiteit van Cambridge. Andere co-auteurs zijn onder meer Maxwell Andrews, Maximiliaan Bonta, Werner Schrenk, Andreas Limbeck en Gottfried Strasser, alle TU Wien; Herman Detz, voorheen van TU Wien en momenteel aan de Universiteit van Brno; Elisabeth Bianco, voorheen van Rice en momenteel aan de Cornell University; Sadegh Yazdi, voorheen van Rice en momenteel aan de Universiteit van Colorado Boulder; en co-hoofdauteur Donald MacFarland, voorheen van TU Wien en momenteel aan de Universiteit van Buffalo.