In un nuovo studio, Fisici statunitensi e austriaci hanno osservato l'entanglement quantistico tra "miliardi di miliardi" di elettroni che scorrono in un materiale critico quantistico.

La ricerca, che appare questa settimana in Scienza , esaminato il comportamento elettronico e magnetico di un composto "strano metallo" di itterbio, rodio e silicio mentre si avvicinava e passava attraverso una transizione critica al confine tra due fasi quantistiche ben studiate.

Lo studio della Rice University e della Vienna University of Technology (TU Wien) fornisce la prova diretta più forte fino ad oggi del ruolo dell'entanglement nel determinare la criticità quantistica, ha detto il coautore dello studio Qimiao Si di Rice.

"Quando pensiamo all'entanglement quantistico, pensiamo alle piccole cose, " Si disse. "Non lo associamo a oggetti macroscopici. Ma a un punto critico quantistico, le cose sono così collettive che abbiamo questa possibilità di vedere gli effetti dell'entanglement, anche in una pellicola metallica che contiene miliardi di miliardi di oggetti della meccanica quantistica".

si, un fisico teorico e direttore del Rice Center for Quantum Materials (RCQM), ha trascorso più di due decenni a studiare cosa succede quando materiali come metalli strani e superconduttori ad alta temperatura cambiano le fasi quantistiche. Una migliore comprensione di tali materiali potrebbe aprire la porta a nuove tecnologie informatiche, comunicazioni e altro ancora.

Il team internazionale ha superato diverse sfide per ottenere il risultato. I ricercatori della TU Wien hanno sviluppato una tecnica di sintesi dei materiali altamente complessa per produrre film ultrapuri contenenti una parte di itterbio ogni due parti di rodio e silicio (YbRh2Si2). A temperatura zero assoluto, il materiale subisce una transizione da una fase quantistica che forma un ordine magnetico a un'altra che non lo fa.

Al Riso, co-autore dello studio Xinwei Li, poi uno studente laureato nel laboratorio del coautore e membro RCQM Junichiro Kono, ha eseguito esperimenti di spettroscopia terahertz sui film a temperature fino a 1,4 Kelvin. Le misurazioni dei terahertz hanno rivelato la conduttività ottica dei film di YbRh2Si2 mentre venivano raffreddati fino a un punto critico quantistico che segnava la transizione da una fase quantistica all'altra.

"Con strani metalli, c'è un collegamento insolito tra resistenza elettrica e temperatura, " ha affermato l'autore corrispondente Silke Bühler-Paschen dell'Istituto di fisica dello stato solido di TU Wien. "In contrasto con i metalli semplici come il rame o l'oro, questo non sembra essere dovuto al movimento termico degli atomi, ma alle fluttuazioni quantistiche alla temperatura dello zero assoluto."

Per misurare la conducibilità ottica, Li ha irradiato radiazione elettromagnetica coerente nella gamma di frequenze terahertz sopra i film e ha analizzato la quantità di raggi terahertz che sono passati attraverso in funzione della frequenza e della temperatura. Gli esperimenti hanno rivelato "la frequenza sulla scala della temperatura, "un segno rivelatore di criticità quantistica, hanno detto gli autori.

Kono, un ingegnere e fisico alla Brown School of Engineering di Rice, ha detto che le misurazioni erano accurate per Li, che ora è ricercatore post-dottorato presso il California Institute of Technology. Per esempio, solo una frazione della radiazione terahertz ha brillato sul campione passato al rivelatore, e la misura importante era quanto quella frazione saliva o scendeva a diverse temperature.

"Meno dello 0,1% della radiazione terahertz totale è stata trasmessa, e il segnale, che era la variazione della conducibilità in funzione della frequenza, era un'ulteriore piccola percentuale di quello, " ha detto Kono. "Ci sono volute molte ore per prendere dati affidabili a ogni temperatura per fare una media su molti, molte misure, ed è stato necessario prendere dati a molti, molte temperature per dimostrare l'esistenza di incrostazioni.

"Xinwei era molto, molto paziente e persistente, " disse Kono. "Inoltre, ha elaborato con cura le enormi quantità di dati che ha raccolto per spiegare la legge di scala, che è stato davvero affascinante per me."

Realizzare i film è stato ancora più impegnativo. Per farli crescere abbastanza sottili da passare i raggi terahertz, il team di TU Wien ha sviluppato un sistema di epitassia a fascio molecolare unico e un'elaborata procedura di crescita. Itterbio, rodio e silicio sono stati evaporati simultaneamente da fonti separate nell'esatto rapporto 1-2-2. A causa dell'elevata energia necessaria per far evaporare il rodio e il silicio, il sistema richiedeva una camera a vuoto ultraelevata su misura con due evaporatori a fascio di elettroni.

"Il nostro jolly è stato trovare il substrato perfetto:germanio, " ha dichiarato lo studente laureato alla TU Wien Lukas Prochaska, un co-autore dello studio. Il germanio era trasparente ai terahertz, e aveva "certe distanze atomiche (che erano) praticamente identiche a quelle tra gli atomi di itterbio in YbRh2Si2, il che spiega l'ottima qualità dei film, " Egli ha detto.

Si ricorda di aver discusso dell'esperimento con Bühler-Paschen più di 15 anni fa, quando stavano esplorando i mezzi per testare una nuova classe di punti critici quantistici. Il segno distintivo del punto critico quantistico che stavano avanzando con i colleghi è che l'entanglement quantistico tra spin e cariche è critico.

"In un punto critico quantistico magnetico, la saggezza convenzionale impone che solo il settore dello spin sarà critico, " disse. "Ma se i settori di carica e di spin sono entangled quantistici, anche il settore della carica finirà per essere critico".

Al tempo, la tecnologia non era disponibile per testare l'ipotesi, ma entro il 2016 la situazione era cambiata. TU Wien potrebbe far crescere i film, Rice aveva recentemente installato un potente microscopio in grado di scansionarli alla ricerca di difetti, e Kono aveva lo spettrometro terahertz per misurare la conduttività ottica. Durante la visita sabbatica di Bühler-Paschen a Rice quell'anno, lei, si, Emilie Ringe, esperta di microscopia di Kono e Rice, ha ricevuto supporto per portare avanti il ​​progetto tramite un premio di eccellenza interdisciplinare dal programma Creative Ventures di nuova costituzione di Rice.

"Concettualmente, è stato davvero un esperimento da sogno, "Si disse. "Sonda il settore di carica nel punto critico quantistico magnetico per vedere se è critico, se ha un ridimensionamento dinamico. Se non vedi nulla di collettivo, questo è ridimensionare, il punto critico deve appartenere a qualche tipo di descrizione da manuale. Ma, se vedi qualcosa di singolare, che in effetti abbiamo fatto, allora è una prova molto diretta e nuova della natura dell'entanglement quantistico della criticità quantistica".

Si ha detto che tutti gli sforzi dedicati allo studio ne sono valsi la pena, perché i risultati hanno implicazioni di vasta portata.

"L'entanglement quantistico è la base per l'archiviazione e l'elaborazione delle informazioni quantistiche, " Si disse. "Allo stesso tempo, si ritiene che la criticità quantistica guidi la superconduttività ad alta temperatura. Quindi i nostri risultati suggeriscono che la stessa fisica sottostante, la criticità quantistica, può portare a una piattaforma sia per le informazioni quantistiche che per la superconduttività ad alta temperatura. Quando si contempla questa possibilità, non si può fare a meno di meravigliarsi della meraviglia della natura."

Si è Harry C. e Olga K. Wiess Professor nel Dipartimento di Fisica e Astronomia della Rice. Kono è un professore nei dipartimenti di Rice di Ingegneria Elettrica e Informatica, Fisica e Astronomia, and Materials Science e NanoEngineering e il direttore del Rice's Applied Physics Graduate Program. Ringe è ora all'Università di Cambridge. Altri coautori includono Maxwell Andrews, Massimiliano Bonta, Werner Schrenk, Andreas Limbeck e Gottfried Strasser, tutta la TU Wien; Hermann Detz, ex TU Wien e attualmente all'Università di Brno; Elisabetta Bianco, ex di Rice e attualmente alla Cornell University; Sadegh Yazdi, ex di Rice e attualmente presso l'Università del Colorado Boulder; e co-autore Donald MacFarland, precedentemente di TU Wien e attualmente presso l'Università di Buffalo.