在實驗室中的Silke Bühler-Paschen。

《科學》雜誌報道，美國萊斯大學和奧地利維也納技術大學的科學家們在研究一種由鐿、銠和矽組成的“奇異金屬”的電子和磁學行為時，發現數十億的流動電子之間存在量子糾纏。這項研究提供了迄今為止最強有力的直接證據，證實了量子糾纏對量子臨界的影響。論文作者、萊斯大學理論物理學家、量子材料中心（RCQM）負責人Qimiao Si說：“當提到量子糾纏時，我們首先想到的是微觀物體。我們很難將它與巨集觀物體聯絡起來。然而在量子臨界點，物質聚集程度極高，我們有機會一窺糾纏態的影響。”

Si長期致力於研究奇異金屬和高溫超導體量子相改變時的情況。深入理解這些材料的量子行為，有望為計算機、通訊等領域的新技術開啟新視野。

維也納技術大學的研究人員使用一種高度複雜的材料合成技術，合成了鐿-銠-矽超純薄膜（YbRh2Si2）。當YbRh2Si2處於絕對零度環境時，會經歷磁序量子相到非磁序量子相的轉變。

論文作者Xinwei Li在約1.4開爾文的溫度下對薄膜進行了太赫茲光譜實驗，以此揭示其光電導率。

維也納技術大學固態物理研究所科學家Silke Bühler-Paschen說：“對奇異金屬而言，電阻和溫度之間存在一種不同尋常的聯絡。與銅或金等簡單金屬相比，這種異常關聯並非源於原子的熱運動，而是由於絕對零度下的量子漲落。”

為了測量光導率，Li以太赫茲頻率範圍內的相干電磁輻射照射了薄膜上方，並分析了通過的太赫茲射線數量。太赫茲射線數量可作為頻率和溫度的函式。研究人員認為，實驗揭示了“頻率超過溫度標度”，這是量子臨界的跡象之一。

萊斯大學物理學家Kono說：“傳輸的太赫茲輻射總量不足0.1%，而傳導率隨頻率變化的訊號只佔其中的幾個百分點。想在不同溫度下獲取可靠資料，需要花費很多時間進行多次測量。”

YbRh2Si2薄膜的製造更具挑戰性。為了讓它足夠薄，研究人員開發了一種獨特的分子束外延系統和複雜的生長過程。鐿、銠、矽同時以精確的比例蒸發。而為了滿足蒸發時需要的超高能量，研究人員專門設計了一個帶有兩個電子束蒸發器的特製真空室。維也納技術大學研究生Lukas Prochaska說：“我們找到了理想底物鍺，它對太赫茲技術來講是非常友好的。”

Si回憶起15年前與Bühler-Paschen進行實驗討論的場景。他們當時正在探索一類新的研究量子臨界點的方法——他們認為量子臨界點的關鍵特徵是自旋和電荷之間的量子糾纏。他說：“傳統觀點認為，自旋部分是磁性量子臨界點的關鍵。如果電荷和自旋產生了糾纏，那麼電荷部分也會變得同樣關鍵。”

當時的技術還無法驗證這一假設。到了2016年，事情出現了轉機。Si說：“從概念上講，這確實是一個夢幻實驗。我們發現的奇異行為，成為建立量子臨界-量子糾纏關係的直接證據。量子糾纏是儲存和處理量子資訊的基礎。與此同時，量子臨界被認為可以驅動高溫超導性。因此，我們認為量子臨界可以為量子資訊和高溫超導提供平臺。”

編譯：雷鑫宇

審稿：alone

責編：唐林芳

期刊編號：0036-8075

原文連結：

https://phys.org/news/2020-01-strange-metals.html