Ny metode til at studere kvantefluktuationer i eksotiske faser af stof

Figur 1:(a) Spin og kredsløbsgrader af elektronens frihed i en kulstofnanorørs kvanteprik er vist med de lige blå pile og cirkellilla pile, henholdsvis. Vi kan kontrollere antallet af elektroner i kvanteprikken én efter én ved hjælp af den nærliggende portelektrode (ikke vist på figuren). (b) På grund af spin og orbitale frihedsgrader, en SU(4) Kondo-tilstand dannes ved nul magnetfelt som vist i bundpanelet. Ved højt magnetfelt udvikler det sig kontinuerligt til en SU(2) Kondo-effekt (øverste panel). Kredit:Osaka University

Faseovergange omfatter almindelige fænomener som vandfrysning eller kogning. Tilsvarende kvantesystemer ved en temperatur på det absolutte nulpunkt oplever også faseovergange. Det tryk eller det magnetiske felt, der påføres sådanne systemer, kan justeres, så disse systemer når et vendepunkt mellem to faser. På dette tidspunkt kvanteudsving, snarere end temperaturudsving, drive disse overgange.

Mange fascinerende fænomener med lovende teknologiske anvendelser inden for områder som superledning er knyttet til kvantefaseovergange, men kvanteudsvings rolle i sådanne overgange er stadig uklar. Mens der har været mange fremskridt i forståelsen af individuelle partiklers adfærd, såsom protoner, neutroner, og fotoner, udfordringen med at forstå systemer, der indeholder mange partikler, der interagerer stærkt med hinanden, er endnu ikke løst.

Nu, et internationalt forskerhold ledet af en gruppe ved Osaka University har opdaget en klar sammenhæng mellem kvanteudsving og den effektive ladning af strømførende partikler. Denne opdagelse vil hjælpe forskere med at afdække, hvordan kvanteudsving styrer systemer, hvor mange partikler interagerer. Et eksempel på et sådant system er interaktionen af elektroner ved ekstremt lave temperaturer. Mens lave temperaturer normalt får modstanden i et metal til at falde, modstanden stiger igen ved ekstremt lave temperaturer på grund af små magnetiske urenheder - dette omtales som Kondo-effekten.

Figur 2:(a) Konduktans af kvanteprikken som funktion af gatespændingen. Konduktansen normaliseres af konduktanskvanten (2e2/h). De eksperimentelle data (optrukne linjer) og resultaterne af de numeriske renormaliseringsgruppe (NRG) beregninger (stiplede linjer) er kvantitativt konsistente med hinanden. (b) Udfyldte cirkler viser den effektive ladning e*/e som funktion af Wilson-forholdet, der kvantificerer styrken af udsving. Den effektive ladning e*/e udledes af den aktuelle støj, og Wilson-forholdet repræsenterer kvanteudsving. Tre kvadratiske symboler repræsenterer den teoretiske forudsigelse for SU(4), SU(2), og ikke-interagerende partikler. Stiplet linje er den udvidede teoretiske forudsigelse, som fint forbinder symmetrioverkrydsningen af kvantevæske grundtilstande. Kredit:Osaka University

"Vi brugte et magnetfelt til at indstille Kondo-tilstanden i et kulstof nanorør, at sikre, at kvanteudsvingene var den eneste variabel i systemet, Medforfatter af undersøgelsen Kensuke Kobayashi siger. "Ved direkte at overvåge ledningsevnen og skudstøjen fra kulstofnanorøret, vi var i stand til at demonstrere en kontinuerlig crossover mellem Kondo-stater med forskellige symmetrier."

Ved at bruge denne nye tilgang, forskerne opdagede en sammenhæng mellem kvanteudsving og den effektive ladning af strømførende partikler, e*. Opdagelsen betyder, at målinger af e* kan bruges til at kvantificere kvanteudsving.

"Det er meget spændende, da det baner vejen for fremtidige undersøgelser af den nøjagtige rolle af kvanteudsving i kvantefaseovergange, " forklarer professor Kobayashi. Forståelse af kvantefaseovergange har potentialet til at muliggøre mange interessante applikationer inden for områder som superledning, Mott isolatorer, og den fraktionelle kvante Hall-effekt.

Sidste artikelMod masseproducerbare kvantecomputere

Næste artikelEt netværk af krystaller til langdistance kvantekommunikation