Undersøgelse finder milliarder af kvanteindviklede elektroner i mærkeligt metal

I en ny undersøgelse, Amerikanske og østrigske fysikere har observeret kvanteforvikling blandt "milliarder af milliarder" flydende elektroner i et kvantekritisk materiale.

Forskningen, som vises i denne uge i Videnskab , undersøgte den elektroniske og magnetiske adfærd af en "mærkelig metal" -forbindelse af ytterbium, rhodium og silicium, da det både nærmede sig og passerede en kritisk overgang ved grænsen mellem to velstuderede kvantefaser.

Undersøgelsen ved Rice University og Vienna University of Technology (TU Wien) giver det hidtil stærkeste direkte bevis på sammenfiltringens rolle i at skabe kvantekritikalitet, sagde studieforfatter Qimiao Si of Rice.

"Når vi tænker på kvanteindvikling, vi tænker på små ting, "Sagde Si." Vi forbinder det ikke med makroskopiske objekter. Men på et kvantekritisk tidspunkt, tingene er så kollektive, at vi har denne chance for at se virkningerne af sammenfiltring, selv i en metallisk film, der indeholder milliarder af milliarder af kvantemekaniske objekter. "

Si, en teoretisk fysiker og direktør for Rice Center for Quantum Materials (RCQM), har brugt mere end to årtier på at studere, hvad der sker, når materialer som underlige metaller og højtemperatur-superledere ændrer kvantefaser. Bedre forståelse af sådanne materialer kan åbne døren for nye teknologier inden for computing, kommunikation og mere.

Det internationale team overvandt flere udfordringer for at få resultatet. TU Wien -forskere udviklede en meget kompleks materialesynteseteknik til fremstilling af ultrarene film indeholdende en del ytterbium for hver to dele rhodium og silicium (YbRh2Si2). Ved absolut nul temperatur, materialet undergår en overgang fra en kvantefase, der danner en magnetisk orden til en anden, der ikke gør det.

Hos Rice, undersøg medlederforfatter Xinwei Li, derefter en kandidatstuderende i laboratoriet for medforfatter og RCQM-medlem Junichiro Kono, udførte terahertz spektroskopiforsøg på filmene ved temperaturer helt ned til 1,4 Kelvin. Terahertz -målingerne afslørede YbRh2Si2 -filmens optiske ledningsevne, da de blev afkølet til et kvantekritisk punkt, der markerede overgangen fra en kvantefase til en anden.

"Med mærkelige metaller, der er en usædvanlig forbindelse mellem elektrisk modstand og temperatur, "sagde den tilsvarende forfatter Silke Bühler-Paschen fra TU Wien's Institute for Solid State Physics." I modsætning til simple metaller som kobber eller guld, dette ser ikke ud til at skyldes atomernes termiske bevægelse, men til kvanteudsving ved den absolutte nultemperatur. "

For at måle optisk ledningsevne, Li skinnede kohærent elektromagnetisk stråling i terahertz -frekvensområdet oven på filmene og analyserede mængden af ​​terahertz -stråler, der passerede som en funktion af frekvens og temperatur. Eksperimenterne afslørede "frekvens over temperaturskala, "et tegn på kvantekritikalitet, sagde forfatterne.

Kono, ingeniør og fysiker ved Rice's Brown School of Engineering, sagde, at målingerne var omhyggelige for Li, som nu er postdoktor ved California Institute of Technology. For eksempel, kun en brøkdel af terahertz -strålingen skinnede på prøven, der passerede til detektoren, og den vigtige måling var, hvor meget denne brøkdel steg eller faldt ved forskellige temperaturer.

"Mindre end 0,1% af den samlede terahertz -stråling blev overført, og signalet, som var variationen af ​​ledningsevne som funktion af frekvens, var yderligere få procent af det, "Sagde Kono." Det tog mange timer at tage pålidelige data ved hver temperatur til et gennemsnit over mange, mange målinger, og det var nødvendigt at tage data på mange, mange temperaturer for at bevise eksistensen af ​​skalering.

"Xinwei var meget, meget tålmodig og vedholdende, "Sagde Kono." Desuden han behandlede omhyggeligt de enorme mængder data, han indsamlede for at udfolde skaleringsloven, hvilket var virkelig fascinerende for mig. "

At lave filmene var endnu mere udfordrende. For at vokse dem tynde nok til at passere terahertz -stråler, TU Wien -teamet udviklede et unikt epitaxy -system med molekylær stråle og en omfattende vækstprocedure. Ytterbium, rhodium og silicium blev samtidigt fordampet fra separate kilder i det nøjagtige 1-2-2-forhold. På grund af den høje energi, der er nødvendig for at fordampe rhodium og silicium, systemet krævede et specialfremstillet ultrahøjt vakuumkammer med to elektronstrålefordampere.

"Vores wild card var at finde det perfekte substrat:germanium, "sagde TU Wien -kandidatstuderende Lukas Prochaska, en studieforfatter. Germanium var gennemsigtigt for terahertz, og havde "visse atomafstande (der var) praktisk talt identiske med dem mellem ytterbiumatomerne i YbRh2Si2, hvilket forklarer filmens fremragende kvalitet, " han sagde.

Si mindede om at have diskuteret eksperimentet med Bühler-Paschen for mere end 15 år siden, da de undersøgte midlerne til at teste en ny klasse af kvantekritisk punkt. Kendetegnende for det kvantekritiske punkt, som de var fremme med kolleger, er, at kvanteindviklingen mellem spins og ladninger er kritisk.

"På et magnetisk kvantekritisk punkt, konventionel visdom dikterer, at kun spinsektoren vil være kritisk, "sagde han." Men hvis ladnings- og spin-sektorerne er kvantefiltrede, gebyrsektoren vil også ende med at være kritisk. "

På det tidspunkt, teknologien var ikke tilgængelig til at teste hypotesen, men i 2016, situationen havde ændret sig. TU Wien kunne dyrke filmene, Rice havde for nylig installeret et kraftfuldt mikroskop, der kunne scanne dem for fejl, og Kono havde terahertz -spektrometeret til at måle optisk ledningsevne. Under Bühler-Paschens sabbatsbesøg i Rice det år, hun, Si, Kono og Rice mikroskopi ekspert Emilie Ringe modtog støtte til at forfølge projektet via en tværfaglig Excellence Award fra Rices nyoprettede Creative Ventures -program.

"Konceptuelt, det var virkelig et drømmeeksperiment, "Si sagde." Afprøv ladningssektoren ved det magnetiske kvantekritiske punkt for at se, om det er kritisk, om den har dynamisk skalering. Hvis du ikke ser noget, der er kollektivt, det er skalering, det kritiske punkt skal tilhøre en beskrivelse af en lærebog. Men, hvis du ser noget ental, hvilket vi faktisk gjorde, så er det meget direkte og nyt bevis for kvantefiltring af kvantekritikalitet. "

Si sagde, at alle de bestræbelser, der gik ind i undersøgelsen, var det hele værd, fordi resultaterne har vidtrækkende konsekvenser.

"Kvantindvikling er grundlaget for lagring og behandling af kvanteoplysninger, "Sagde Si." På samme tid, kvantekritikalitet menes at drive supraledning ved høj temperatur. Så vores fund tyder på, at den samme underliggende fysik-kvantekritikalitet-kan føre til en platform for både kvanteinformation og høj temperatur superledning. Når man overvejer den mulighed, man kan ikke undgå at undre sig over naturens vidunder. "

Si er Harry C. og Olga K. Wiess Professor i Rices Institut for Fysik og Astronomi. Kono er professor i Rices afdelinger for elektrisk og computerteknik, Fysik og astronomi, and Materials Science and NanoEngineering og direktøren for Rices Applied Physics Graduate Program. Ringe er nu på University of Cambridge. Yderligere medforfattere inkluderer Maxwell Andrews, Maximilian Bonta, Werner Schrenk, Andreas Limbeck og Gottfried Strasser, hele TU Wien; Hermann Detz, tidligere fra TU Wien og i øjeblikket ved Brno University; Elisabeth Bianco, tidligere af Rice og i øjeblikket ved Cornell University; Sadegh Yazdi, tidligere af Rice og i øjeblikket ved University of Colorado Boulder; og medlederforfatter Donald MacFarland, tidligere fra TU Wien og i øjeblikket på universitetet i Buffalo.