在《科学进展》在线发表的一篇开放获取的论文中,来自莱斯大学、约翰·霍普金斯大学、维也纳理工大学(TU Wien)和国家标准与技术研究所(NIST)提出了第一个实验证据,表明量子临界状态,一种无序状态,电子在有序的竞争状态之间摇摆,可能会产生拓扑相,“保护”量子态在量子计算中越来越受关注。


这项工作背后的想法是,为什么不考虑量子临界性?来自莱斯的理论物理学家Si Qimiao说,他花了20年时间研究量子临界和现代物理学中最神秘的过程之一高温超导之间的相互作用。

科学家发现原始量子临界状态 不需要任何微调

齐苗斯是莱斯大学物理与天文学的Harry C.和Olga K. Wiess教授,莱斯大学量子材料中心主任。(照片由杰夫·菲特洛/莱斯大学)


赖斯量子材料中心(RCQM)主任Si说,也许量子临界性不是使物质拓扑相成核的唯一机制,但我们知道,量子临界性提供了一个环境,在这个环境中,物质会波动,从这个环境中,物质会出现新的状态。


在这项研究中,Si和他的同事们,包括TU Wien的长期合作者、实验家Silke Bühler-Paschen,以及NIST和约翰霍普金斯大学的colin Broholm,研究了一种由1份铈、4份钌和6份锡制成的半金属。在CeRu4Sn6中没有观察到拓扑相,但它与其他一些已经观察到拓扑相的材料相似。它还被认为是近藤效应的主因,即附着在金属原子上的电子的磁矩与通过的传导电子的自旋之间的强相互作用。


在典型的金属和半导体中,电子之间的相互作用非常弱,以至于工程师和物理学家在设计计算机芯片或其他电子设备时不需要考虑它们。而近藤半金属等“强相关”材料则不然。在这种情况下,材料的整体行为——以及任何由其构建的设备——都依赖于电子间的相互作用。这些相互作用导致了量子临界。

科学家发现原始量子临界状态 不需要任何微调

SilkeBühler-Paschen是维也纳工业大学固态物理研究所的教授。


在德国国立理工大学和NIST的中子研究中心进行的实验中,研究小组利用磁化率、比热和非弹性中子散射测量来收集CeRu4Sn6在非常冷的温度下的量子态。测试表明,这种材料在其原始状态下是量子关键的,不需要任何微调。


当强相关材料在很低的温度下发生相变时,量子临界性就出现了。这种转变类似于液相水在华氏32度结冰为固态冰。量子材料的相变也发生在临界温度下,但相变本质上是量子的。在临界点的一边,电子是单向排列的。在另一边,它们以不同的顺序排列。在临界点,电子变化无常,在相互竞争的指令之间不断波动。这就是量子临界状态——在CeRu4Sn6中测量到的原始状态。


通常,你必须努力才能达到这种状态,约翰·霍普金斯大学布罗霍尔姆实验室的校友、该研究的主要作者之一韦斯·福尔曼(Wes Fuhrman)说,发现这些波动就像击中靶心,随着温度的降低,靶心会越来越小。在这里,半金属的稀电子似乎是通向量子临界点的线索。


虽然CeRu4Sn6还没有被证明是拓扑结构,但Si说他预计它最终会是,部分原因是它与之前的威尔-近藤半金属相似,这是他和Bühler-Paschen在2017年发现的一类材料,并在今年2月进一步探索。


在某种程度上,这项工作代表了实现一个仍在推测的概念性框架的第一步,在这个框架中,量子临界可能是出现强相关拓扑半金属的原因,Si说。


量子态往往是脆弱的,但在拓扑材料中,量子纠缠模式产生的“保护”态不能被抹去。拓扑状态的不可变性质是越来越感兴趣的量子计算,其中量子状态用于存储和处理信息。


Si说,今天拓扑材料的状态让人想起了90年代的高温超导体。


Buhler-Paschen,他的团队已经发现了第一个在维也纳Weyl-Kondo半金属材料和合成所需的大单晶中子散射实验说,有一些材料已经意识到,但是要想从几个孤立的例子,很多情况下,就像我们今天对非常规超导的认识一样,我们需要一个框架,一个设计原则。


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