I en ny studie, Amerikanska och österrikiska fysiker har observerat kvantintrassling bland "miljarder miljarder" av flödande elektroner i ett kvantkritiskt material.

Forskningen, som visas denna vecka i Vetenskap , undersökte det elektroniska och magnetiska beteendet hos en "konstig metall" -förening av ytterbium, rodium och kisel när det både närmade sig och passerade genom en kritisk övergång vid gränsen mellan två väl studerade kvantfaser.

Studien vid Rice University och Wiens tekniska högskola (TU Wien) ger det starkaste direkta beviset hittills på entanglements roll för att åstadkomma kvantkriticitet, sade studie medförfattare Qimiao Si av Rice.

"När vi tänker på kvantintrassling, vi tänker på små saker, "Sa Si." Vi associerar det inte med makroskopiska objekt. Men vid en kvantkritisk punkt, saker och ting är så kollektiva att vi har denna chans att se effekterna av förveckling, även i en metallisk film som innehåller miljarder miljarder kvantmekaniska föremål."

Si, en teoretisk fysiker och chef för Rice Center for Quantum Materials (RCQM), har ägnat mer än två decennier åt att studera vad som händer när material som konstiga metaller och högtemperatursupraledare ändrar kvantfaser. Bättre förståelse av sådant material kan öppna dörren till ny teknik inom datorer, kommunikation och mer.

Det internationella laget övervann flera utmaningar för att få resultatet. TU Wiens forskare utvecklade en mycket komplex materialsyntesteknik för att producera ultrarena filmer som innehåller en del ytterbium för varannan delar rodium och kisel (YbRh2Si2). Vid absolut noll temperatur, materialet genomgår en övergång från en kvantfas som bildar en magnetisk ordning till en annan som inte gör det.

På Rice, studera medförfattare Xinwei Li, sedan en doktorand i labbet av medförfattaren och RCQM-medlemmen Junichiro Kono, utförde terahertz-spektroskopiexperiment på filmerna vid temperaturer så låga som 1,4 Kelvin. Terahertz-mätningarna avslöjade den optiska konduktiviteten hos YbRh2Si2-filmerna när de kyldes till en kvantkritisk punkt som markerade övergången från en kvantfas till en annan.

"Med konstiga metaller, det finns ett ovanligt samband mellan elektriskt motstånd och temperatur, " sa motsvarande författare Silke Bühler-Paschen vid TU Wiens institut för fast tillståndsfysik. "I motsats till enkla metaller som koppar eller guld, detta verkar inte bero på atomernas termiska rörelse, men till kvantfluktuationer vid den absoluta nolltemperaturen."

För att mäta optisk ledningsförmåga, Li skenade sammanhängande elektromagnetisk strålning i terahertz -frekvensområdet ovanpå filmerna och analyserade mängden terahertzstrålar som passerade som en funktion av frekvens och temperatur. Experimenten avslöjade "frekvens över temperaturskalning, "ett talande tecken på kvantkriticitet, sa författarna.

Kono, ingenjör och fysiker vid Rice's Brown School of Engineering, sa att mätningarna var noggranna för Li, som nu är postdoktor vid California Institute of Technology. Till exempel, endast en bråkdel av terahertzstrålningen lyste på provet som passerade till detektorn, och den viktiga mätningen var hur mycket den fraktionen steg eller sjönk vid olika temperaturer.

"Mindre än 0,1 % av den totala terahertzstrålningen överfördes, och signalen, som var variationen av konduktiviteten som en funktion av frekvensen, var ytterligare några procent av det, ", sa Kono. "Det tog många timmar att ta tillförlitliga data vid varje temperatur till ett genomsnitt över många, många mått, och det var nödvändigt att ta data på många, många temperaturer för att bevisa förekomsten av skalning.

"Xinwei var mycket, mycket tålmodig och ihärdig, " sade Kono. "Dessutom, han bearbetade noggrant de enorma mängder data han samlade in för att utveckla skalningslagen, vilket verkligen fascinerade mig."

Att göra filmerna var ännu mer utmanande. Att växa dem tunna nog att passera terahertz-strålar, TU Wien-teamet utvecklade ett unikt molekylärt strålepitaxisystem och en utarbetad tillväxtprocedur. Ytterbium, rodium och kisel avdunstades samtidigt från separata källor i det exakta förhållandet 1-2-2. På grund av den höga energi som behövs för att avdunsta rodium och kisel, systemet krävde en specialtillverkad ultrahögvakuumkammare med två elektronstråleförångare.

"Vårt jokertecken var att hitta det perfekta substratet:germanium, " sa TU Wiens doktorand Lukas Prochaska, en studieledarförfattare. Germaniumet var genomskinligt för terahertz, och hade "vissa atomavstånd (som var) praktiskt taget identiska med de mellan ytterbiumatomerna i YbRh2Si2, vilket förklarar filmens utmärkta kvalitet, " han sa.

Si mindes att han diskuterade experimentet med Bühler-Paschen för mer än 15 år sedan när de undersökte sätten att testa en ny klass av kvantkritiska punkter. Kännetecknet för den kvantkritiska punkten att de gick framåt med medarbetare är att kvantförvecklingen mellan snurr och laddningar är kritisk.

"Vid en magnetisk kvantkritisk punkt, konventionell visdom dikterar att endast spinnsektorn kommer att vara kritisk, "sa han." Men om laddnings- och spinnsektorerna är kvantintrasslade, avgiftssektorn kommer också att bli kritisk."

Just då, tekniken var inte tillgänglig för att testa hypotesen, men 2016, situationen hade förändrats. TU Wien skulle kunna odla filmerna, Rice hade nyligen installerat ett kraftfullt mikroskop som kunde skanna dem efter defekter, och Kono hade terahertz-spektrometern för att mäta optisk konduktivitet. Under Bühler-Paschens sabbatsbesök i Rice det året, hon, Si, Kono och Rice mikroskopiexpert Emilie Ringe fick stöd för att driva projektet via ett Interdisciplinary Excellence Award från Rices nyinrättade Creative Ventures-program.

"Begreppsmässigt, det var verkligen ett drömexperiment, "Si sa. "Sök laddningssektorn vid den magnetiska kvantkritiska punkten för att se om den är kritisk, om den har dynamisk skalning. Om du inte ser något som är kollektivt, det är skalning, den kritiska punkten måste tillhöra någon typ av beskrivning i läroboken. Men, om du ser något enstaka, vilket vi faktiskt gjorde, då är det väldigt direkta och nya bevis för kvantkriticitetens kvantintrasslingskaraktär."

Si sa att alla ansträngningar som gjordes i studien var väl värda det, eftersom fynden har långtgående konsekvenser.

"Kvantumsintrassling är grunden för lagring och bearbetning av kvantinformation, "Si sa. "Samtidigt, kvantkriticitet tros driva supraledning vid hög temperatur. Så våra fynd tyder på att samma underliggande fysik - kvantkriticitet - kan leda till en plattform för både kvantinformation och supraledning vid hög temperatur. När man överväger den möjligheten, man kan inte låta bli att förundras över naturens under."

Si är Harry C. och Olga K. Wiess professor vid Rice institution för fysik och astronomi. Kono är professor vid Rices avdelningar för elektro- och datateknik, Fysik och astronomi, and Materials Science och NanoEngineering och chef för Rice's Applied Physics Graduate Program. Ringe är nu vid University of Cambridge. Ytterligare medförfattare inkluderar Maxwell Andrews, Maximilian Bonta, Werner Schrenk, Andreas Limbeck och Gottfried Strasser, hela TU Wien; Hermann Detz, tidigare vid TU Wien och för närvarande vid Brno University; Elisabeth Bianco, tidigare från Rice och för närvarande vid Cornell University; Sadegh Yazdi, tidigare av Rice och för närvarande vid University of Colorado Boulder; och medförfattare Donald MacFarland, tidigare vid TU Wien och för närvarande vid universitetet i Buffalo.