Figur 1:(a) Spinn och orbital frihetsgrader för elektroner i en kolnanorörs kvantprick visas av de raka blå pilarna och cirkellila pilarna, respektive. Vi kan styra antalet elektroner i kvantpunkten en efter en av den närliggande grindelektroden (visas inte i figuren). (b) På grund av spinn- och omloppsfrihetsgraderna, ett SU(4) Kondo-tillstånd bildas vid noll magnetfält som visas i den nedre panelen. Vid högt magnetfält utvecklas det kontinuerligt till en SU(2) Kondo-effekt (övre panel). Kredit:Osaka University
Fasövergångar inkluderar vanliga fenomen som att vatten fryser eller kokar. Liknande, kvantsystem vid en temperatur av absolut noll upplever också fasövergångar. Trycket eller magnetfältet som appliceras på sådana system kan justeras så att dessa system når en tipppunkt mellan två faser. Vid denna tidpunkt kvantfluktuationer, snarare än temperaturfluktuationer, driva dessa övergångar.
Många fascinerande fenomen med lovande tekniska tillämpningar inom områden som supraledning är kopplade till kvantfasövergångar, men kvantfluktuationernas roll i sådana övergångar är fortfarande oklart. Även om det har gjorts många framsteg när det gäller att förstå beteendet hos enskilda partiklar som protoner, neutroner, och fotoner, utmaningen att förstå system som innehåller många partiklar som starkt interagerar med varandra har ännu inte lösts.
Nu, ett internationellt forskarlag ledd av en grupp vid Osaka University har upptäckt en tydlig koppling mellan kvantfluktuationer och den effektiva laddningen av strömförande partiklar. Denna upptäckt kommer att hjälpa forskare att avslöja hur kvantfluktuationer styr system där många partiklar interagerar. Ett exempel på ett sådant system är interaktionen av elektroner vid extremt låga temperaturer. Medan låga temperaturer normalt gör att motståndet i en metall sjunker, motståndet stiger igen vid extremt låga temperaturer på grund av små magnetiska föroreningar – detta kallas Kondo-effekten.
Figur 2:(a) Konduktans av kvantpunkten som en funktion av grindspänningen. Konduktansen normaliseras av konduktanskvantumet (2e2/h). Experimentdata (heldragna linjer) och resultaten av de numeriska renormaliseringsgruppen (NRG) beräkningarna (streckade linjer) är kvantitativt överensstämmande med varandra. (b) Fyllda cirklar visar den effektiva laddningen e*/e som en funktion av Wilson-förhållandet som kvantifierar styrkan av fluktuationer. Den effektiva laddningen e*/e härleds av strömbruset och Wilson-förhållandet representerar kvantfluktuationer. Tre kvadratiska symboler representerar den teoretiska förutsägelsen för SU(4), SU(2), och icke-interagerande partiklar. Streckad linje är den utökade teoretiska förutsägelsen, som på ett snyggt sätt förbinder symmetriövergången av kvantvätskegrundtillstånden. Kredit:Osaka University
"Vi använde ett magnetfält för att ställa in Kondo-tillståndet i ett kolnanorör, att säkerställa att kvantfluktuationerna var den enda variabeln i systemet, ", säger studiemedförfattare Kensuke Kobayashi. "Genom att direkt övervaka konduktansen och skottljudet i kolnanoröret, vi kunde demonstrera en kontinuerlig korsning mellan Kondo-tillstånd med olika symmetri."
Med detta nya tillvägagångssätt, forskarna upptäckte en koppling mellan kvantfluktuationer och den effektiva laddningen av strömförande partiklar, e*. Upptäckten innebär att mätningar av e* kan användas för att kvantifiera kvantfluktuationer.
"Det här är väldigt spännande, eftersom det banar väg för framtida undersökningar av den exakta rollen av kvantfluktuationer i kvantfasövergångar, " förklarar professor Kobayashi. Att förstå kvantfasövergångar har potential att möjliggöra många intressanta tillämpningar inom områden som supraledning, Mott isolatorer, och den fraktionerade kvanthalleffekten.
