En un nuevo estudio, los físicos estadounidenses y austriacos han observado el entrelazamiento cuántico entre "miles de millones" de electrones que fluyen en un material crítico cuántico.
La investigación, que aparece esta semana en ciencia , examinó el comportamiento electrónico y magnético de un compuesto de "extraño metal" de iterbio, rodio y silicio a medida que se acercaba y atravesaba una transición crítica en el límite entre dos fases cuánticas bien estudiadas.
El estudio en la Universidad de Rice y la Universidad Tecnológica de Viena TU Wien proporciona la evidencia directa más sólida hasta la fecha del papel del enredo en lograr la criticidad cuántica, dijo el coautor del estudio Qimiao Si de Rice.
"Cuando pensamos en el entrelazamiento cuántico, pensamos en cosas pequeñas", dijo Si. "No lo asociamos con objetos macroscópicos. Pero en un punto crítico cuántico, las cosas son tan colectivas que tenemos esta oportunidad de ver elefectos del enredo, incluso en una película metálica que contiene miles de millones de objetos de mecánica cuántica ".
Si, un físico teórico y director del Centro Rice para Materiales Cuánticos RCQM, ha pasado más de dos décadas estudiando qué sucede cuando materiales como metales extraños y superconductores de alta temperatura cambian las fases cuánticas. Una mejor comprensión de tales materiales podría abrir elpuerta a nuevas tecnologías en informática, comunicaciones y más.
El equipo internacional superó varios desafíos para obtener el resultado. Los investigadores de TU Wien desarrollaron una técnica de síntesis de materiales altamente compleja para producir películas ultrapuras que contienen una parte de iterbio por cada dos partes de rodio y silicio YbRh 2 Si 2 .A temperatura cero absoluta, el material experimenta una transición de una fase cuántica que forma un orden magnético a otro que no lo hace.
En Rice, el coautor del estudio, Xinwei Li, entonces estudiante graduado en el laboratorio del coautor y miembro de RCQM, Junichiro Kono, realizó experimentos de espectroscopía de terahercios en las películas a temperaturas tan bajas como 1.4 Kelvin. Las mediciones de terahercios revelaronconductividad óptica de la YbRh 2 Si 2 películas ya que se enfriaron a un punto crítico cuántico que marcó la transición de una fase cuántica a otra.
"Con metales extraños, existe una conexión inusual entre la resistencia eléctrica y la temperatura", dijo el autor correspondiente Silke Bühler-Paschen del Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien. "A diferencia de los metales simples como el cobre o el oro, esto no es así".parece ser debido al movimiento térmico de los átomos, pero a las fluctuaciones cuánticas a la temperatura cero absoluta ".
Para medir la conductividad óptica, Li brilló una radiación electromagnética coherente en el rango de frecuencia de terahercios en la parte superior de las películas y analizó la cantidad de rayos de terahercios que pasaron en función de la frecuencia y la temperatura. Los experimentos revelaron "escala de frecuencia sobre temperatura".Una señal reveladora de la criticidad cuántica, dijeron los autores.
Kono, un ingeniero y físico en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice, dijo que las mediciones fueron minuciosas para Li, quien ahora es un investigador postdoctoral en el Instituto de Tecnología de California. Por ejemplo, solo una fracción de la radiación de terahercios brilló en la muestra que pasóhasta el detector, y la medida importante fue cuánto subió o bajó esa fracción a diferentes temperaturas.
"Menos del 0.1% de la radiación total de terahercios se transmitió, y la señal, que era la variación de la conductividad en función de la frecuencia, fue un pequeño porcentaje adicional de eso", dijo Kono. "Tomó muchas horas tomardatos confiables a cada temperatura para promediar sobre muchas, muchas mediciones, y fue necesario tomar datos a muchas, muchas temperaturas para probar la existencia de escalamiento.
"Xinwei fue muy, muy paciente y persistente", dijo Kono. "Además, procesó cuidadosamente las enormes cantidades de datos que recopiló para desarrollar la ley de escala, lo que fue realmente fascinante para mí".
Hacer las películas fue aún más desafiante. Para hacerlas lo suficientemente delgadas como para pasar rayos de terahercios, el equipo de TU Wien desarrolló un sistema único de epitaxia de haz molecular y un elaborado procedimiento de crecimiento. El iterbio, el rodio y el silicio se evaporaron simultáneamente de fuentes separadas en elrelación 1-2-2 exacta. Debido a la alta energía necesaria para evaporar el rodio y el silicio, el sistema requería una cámara de vacío ultraalto a medida con dos evaporadores de haz de electrones.
"Nuestro comodín fue encontrar el sustrato perfecto: germanio", dijo el estudiante graduado de TU Wien Lukas Prochaska, coautor del estudio. El germanio era transparente a terahercios y tenía "ciertas distancias atómicas que eran prácticamente idénticas aaquellos entre los átomos de iterbio en YbRh 2 Si 2 lo que explica la excelente calidad de las películas ", dijo.
Si recordó haber discutido el experimento con Bühler-Paschen hace más de 15 años cuando estaban explorando los medios para probar una nueva clase de punto crítico cuántico. El sello distintivo del punto crítico cuántico que estaban avanzando con sus compañeros de trabajo es que elel enredo cuántico entre giros y cargas es crítico.
"En un punto crítico cuántico magnético, la sabiduría convencional dicta que solo el sector de rotación será crítico", dijo. "Pero si los sectores de carga y rotación están enredados cuánticamente, el sector de carga también terminará siendo crítico"."
En ese momento, la tecnología no estaba disponible para probar la hipótesis, pero para 2016, la situación había cambiado. TU Wien podía hacer crecer las películas, Rice había instalado recientemente un potente microscopio que podía escanearlas en busca de defectos, y Kono tenía elespectrómetro de terahercios para medir la conductividad óptica. Durante la visita sabática de Bühler-Paschen a Rice ese año, ella, Si, Kono y la experta en microscopía de Rice, Emilie Ringe, recibieron apoyo para continuar el proyecto a través de un Premio a la Excelencia Interdisciplinaria del recientemente creado programa Creative Ventures de Rice.
"Conceptualmente, fue realmente un experimento soñado", dijo Si. "Pruebe el sector de carga en el punto crítico cuántico magnético para ver si es crítico, si tiene una escala dinámica. Si no ve nada que sea colectivo, eso esescala, el punto crítico tiene que pertenecer a algún tipo de descripción de libro de texto. Pero, si ve algo singular, que de hecho lo hicimos, entonces es una evidencia muy directa y nueva de la naturaleza de enmarañamiento cuántico de la criticidad cuántica ".
Si dijo que todos los esfuerzos realizados en el estudio valieron la pena, porque los hallazgos tienen implicaciones de largo alcance.
"El entrelazamiento cuántico es la base para el almacenamiento y el procesamiento de la información cuántica", dijo Si. "Al mismo tiempo, se cree que la criticidad cuántica impulsa la superconductividad a alta temperatura. Por lo tanto, nuestros hallazgos sugieren que la misma física subyacente: la criticidad cuántica- puede conducir a una plataforma para la información cuántica y la superconductividad a alta temperatura. Cuando uno contempla esa posibilidad, no puede evitar maravillarse ante la maravilla de la naturaleza ".
Si es la profesora Harry C. y Olga K. Wiess en el Departamento de Física y Astronomía de Rice. Kono es profesora en los departamentos de Ingeniería Eléctrica e Informática, Física y Astronomía, y Ciencia de Materiales y Nanoingeniería de Rice y el director de Applied de RicePrograma de Posgrado en Física. Ringe ahora está en la Universidad de Cambridge.
Otros coautores incluyen a Maxwell Andrews, Maximilian Bonta, Werner Schrenk, Andreas Limbeck y Gottfried Strasser, todos de TU Wien; Hermann Detz, anteriormente de TU Wien y actualmente en la Universidad de Brno; Elisabeth Bianco, anteriormente de Rice y actualmente enUniversidad de Cornell; Sadegh Yazdi, anteriormente de Rice y actualmente en la Universidad de Colorado Boulder; y el coautor principal Donald MacFarland, anteriormente de TU Wien y actualmente en la Universidad de Buffalo.
La investigación fue apoyada por el Consejo Europeo de Investigación ERC-227378, la Oficina de Investigación del Ejército W911NF-14-1-0496, W911NF-17-1-0259, W911NF-14-1-0525, la Ciencia de AustriaFondo FWF-W1243, P29279-N27, P29296-N27, el programa Horizonte 2020 de la Unión Europea 824109-EMP, la National Science Foundation DMR-1720595, DMR-1920740, PHY-1607611, el Robert A. WelchFundación C-1411, Laboratorio Nacional de Los Alamos y Universidad de Rice.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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