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新型量子相变：首次发现成千上万个原子的量子纠缠

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发布时间：2022-09-08

无论是磁铁还是超导体：材料都因其各种特性而闻名；然而，这些特性在极端条件下可能会自发改变。德累斯顿工业大学（TUD）和慕尼黑工业大学（TUM）的研究人员发现了一种全新的相变类型——它们显示了涉及许多原子的量子纠缠现象，而这种现象以前只在少数原子的领域中被观察到。

 

8月31日，相关研究成果以《铁磁体中中尺度量子相变的出现》为题[1]，发表在《自然》杂志上。

 

 

01 

量子相变和纠缠

 

如果我们看一下水，就可以很容易地观察到一种物质自发变化的特性：在100摄氏度时，它蒸发成气体；在0摄氏度时，它冻结成冰。在这两种情况下，这些新的物质状态的形成是相变的结果：水分子重新排列，从而改变了物质的特性。磁性或超导性等特性的出现是晶体中电子发生相变的结果。对于温度接近绝对零度（-273.15摄氏度）的相变，纠缠等量子力学效应开始发挥作用，因此有了‘量子相变’。TUM拓扑学教授Christian Pfleiderer解释说：“尽管有超过30年的广泛研究致力于量子材料的相变，但我们以前认为，纠缠现象只在微观尺度上发挥作用，它每次只涉及几个原子。”

 

量子纠缠是物理学中最令人惊讶的现象之一，纠缠的量子粒子存在于一个共享的叠加状态，允许通常相互排斥的属性（例如，黑色和白色）同时发生。通常情况下，量子力学定律只适用于微观粒子。现在，TUD、TUM的研究小组已经成功地观察到了更大规模的量子纠缠效应，即成千上万个(many thousands of)原子的纠缠。

 

02

化合物LiHoF4：发现全新相变

 

此次实验中，他们选择了著名的化合物氟化钬锂（LiHoF4）。在非常低的温度下，LiHoF4就像一个铁磁体，所有的磁矩都自发地指向同一个方向。如果你再施加一个正好垂直于首选磁性方向的磁场，磁矩将改变方向，这被称为“波动“。磁场强度越高，这些波动就越强；直到最后，铁磁性会在一个量子相变中完全消失。这导致了相邻磁矩的纠缠。"如果你把一个LiHoF4样品举到一个非常强的磁铁上，它会突然停止自发的磁性。”TUD理论固体物理学主席Matthias Vojta总结说：“科学家们发现这一现象已经25年了。”

 

新的是当你改变磁场的方向（φ）时会发生什么。Pfleiderer解释说：“我们发现，量子相变继续发生，而以前人们认为，即使是最小的磁场倾斜也会立即抑制它。然而，在这些条件下，经历这些量子相变的不是单个磁矩，而是广泛的磁区——即所谓的‘铁磁域’。这些域构成了指向同一方向的磁矩的整个岛屿（island）。”

 

这意味着，对于LiHoF4，物理学家们发现了一个全新的相变——中尺度量子临界点，它源自微观铁磁TF-QCP的教科书示例。

 

TUD理论固体物理学主席Matthias Vojta评论说：“我们的量子‘猫’现在有了新的皮毛，因为我们在LiHoF4中发现了一个新的量子相变，这在以前是不知道存在的。”

 

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左图：LiHoF4的晶体单元；右图：实验研究中使用的球形样品，以确保整个样品体积内的退磁场均匀。

 

​微观横向场伊辛模型和LiHoF4的域模型的零温度相图，作为场强B和场向φ的函数，立方体用于描述沿易磁轴（红色）和硬磁轴（黑色）的磁化成分，如图a和e中定义的。场方向包括与硬磁轴的角度φ，也就是说，横向场条件对应于φ=0。b-d，纯粹的微观方案，不考虑杂散场和磁性纹理（magnetic texture）的形成。在φ=0时，一阶相变终止于TF-QCP中。f-h，与a-d图中考虑的微观模型相同，但也考虑了杂散磁场的影响和伴随的多域状态的形成，即出现的反铁磁性（AFM）。一个明确的相变将低场（强极化）的多域状态（出现的AFM）与高场的单域（弱极化）状态分开。作为φ≠0的磁场函数，形成一排中尺度量子临界点（QCP）。这一转变与φ=0时的微观TF-QCP相吻合。

 

03

为应用提供基础：量子传感、量子计算

 

“我们发现了一种全新的量子相变。其中纠缠发生在成千上万个原子的规模上，而不仅仅是在只有几个原子的微观世界里。“Vojta解释说：”如果你把磁域想象成一个黑白图案，新的相变会导致白色或黑色区域变得无限小，即形成一个量子图案，然后完全溶解。“一个新开发的理论模型成功地解释了从实验中获得的数据。“对于我们的分析，我们概括了现有的微观模型，也考虑到了大型铁磁域对微观特性的反馈。”在读博士生Heike Eisenlohr阐述道。

 

新的量子相变的发现对于研究材料中的量子现象以及新的应用来说，是一个重要的基础和一般参考框架。Vojta说：“量子纠缠被应用于量子传感器和量子计算机等技术，以及用于其他方面。”Pfleiderer补充说：“尽管我们的工作属于基础研究领域，然而，如果以可控的方式使用材料的特性，它将可以对实际应用的发展产生直接影响。”

 

这项研究得到了德国联邦和州政府在”量子物质复杂性和拓扑学卓越集群”（ct.qmat）和”慕尼黑量子科技中心卓越集群”（MCQST）内的卓越战略的资助。此外，这项工作还得到了欧洲研究理事会（ERC）的高级资助ExQuiSid和德国研究基金会（DFG）的合作研究中心（SFB）和TRR80的支持[2]。

 

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04995-5

[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/09/220902103303.htm

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