在日常生活中,相变通常与温度变化有关,例如,当冰块变暖并融化时。但也有不同种类的相变,这取决于其他参数,如磁场。为了理解材料的量子性质,当相变直接发生在绝对零度温度时,相变就显得特别有趣。这些跃迁被称为“量子相变”或“量子临界点”。


这样的量子临界点现在已经被一个奥地利-美国的研究小组以一种新颖的材料和异常原始的形式发现。这种材料的性能正在进一步研究中。人们怀疑这种材料可能是一种所谓的韦尔-近藤半金属,由于其特殊的量子态(即所谓的拓扑态),被认为具有巨大的量子技术潜力。如果这被证明是正确的,那么就找到了定向发展拓扑量子材料的关键。该研究结果由屠维尼、约翰·霍普金斯大学、美国国家标准与技术研究所(NIST)和莱斯大学合作完成,目前已发表在《科学进展》杂志上。

研究团队发现了新的量子材料 有望助力设计概念的建立

量子临界,比以前更简单更清楚


通常在金属或绝缘体中研究量子临界行为。但是我们现在已经研究了一种半金属,TU Wien固体物理研究所Silke教授Bühler-Paschen说。这种材料是铈、钌和锡的化合物,其性能介于金属和半导体之间。


通常,量子临界只能在非常特定的环境条件下产生,一定的压力或电磁场。然而,令人惊讶的是,我们的半金属在没有任何外部影响的情况下被证明是量子临界的,Wesley Fuhrman说,他是约翰·霍普金斯大学科林·布罗霍尔姆教授团队的博士生,他对中子散射测量的结果做出了重要贡献。通常你必须努力工作才能创造出合适的实验室条件,但这种半金属本身就能提供量子临界。


这个令人惊讶的结果可能与这种材料中电子的行为有一些特殊的特性有关。这是一个高度相关的电子系统。这意味着电子之间相互作用强烈,你不能通过单独观察电子来解释它们的行为,Bühler-Paschen说,这种电子相互作用导致了所谓的近藤效应。在这里,材料中的量子自旋被周围的电子屏蔽,因此自旋对其他材料不再有任何影响。


如果只有相对较少的自由电子,就像半金属那样,那么近藤效应是不稳定的。这可能是材料的量子临界行为的原因:系统在有近藤效应和没有近藤效应的状态之间波动,这就产生了零温度下相变的效应。

研究团队发现了新的量子材料 有望助力设计概念的建立

量子涨落可能导致韦尔粒子


这个结果如此重要的主要原因是,它被怀疑与“韦尔费米子”现象密切相关。在固体中,韦尔费米子可以以准粒子的形式出现,即像池塘中的波这样的集体激发。根据理论预测,这种威尔费米子应该存在于这种物质中。莱斯大学的理论物理学家Si Qimiao说。然而,实验证据还有待发现。我们怀疑我们观察到的量子临界有利于韦尔费米子的发生,因此,量子临界涨落可能对韦尔费米子有稳定作用,就像高温超导体中的量子临界涨落将超导库珀对保持在一起一样。这是一个非常基本的问题,也是世界各地许多研究的主题,我们在这里发现了一个热门的新线索。


在我们看来,某些量子效应,即量子临界涨落、近藤效应和韦尔费米子,在新发现的材料中紧密地交织在一起,从而产生了奇异的韦尔-近藤态。这些是非常稳定的“拓扑”态,与其他量子态不同,它们不容易被外部干扰破坏。这使得量子计算机对它们特别感兴趣。


为了验证这一切,需要在不同的外部条件下进行进一步的测量。研究小组希望在其他材料中也能发现类似的各种量子效应的相互作用。Bühler-Paschen说,这可能会导致一种设计理念的确立,这种材料可以被特别改进、定制并用于混凝土应用。


免责声明

我来说几句

不吐不快,我来说两句
最新评论

还没有人评论哦,抢沙发吧~