Квантовая запутанность раскрывает уникальное поведение электронов странных металлов в критической точке

Ученые давно пытаются разгадать тайны странных металлов — материалов, которые не подчиняются обычным законам электричества и магнетизма. Теперь группа физиков из Университета Райса совершила прорыв в этой области, используя инструмент из области квантовой информатики. Их исследование, опубликованное недавно в Nature Communications, показывает, что электроны в странных металлах становятся более запутанными в критической точке, проливая новый свет на поведение этих загадочных материалов. Это открытие может проложить путь к усовершенствованию сверхпроводников, которые в будущем могут изменить способы использования энергии.

В отличие от обычных металлов, таких как медь или золото, электрические свойства которых хорошо изучены, странные металлы ведут себя гораздо сложнее, и их внутреннее устройство выходит за рамки описаний в учебниках.

Под руководством Цимяо Си, профессора физики и астрономии имени Гарри К. и Ольги К. Висс, исследовательская группа обратилась к квантовой информации Фишера (QFI) — концепции из квантовой метрологии, которая используется для измерения того, как взаимодействуют электроны в экстремальных условиях, — чтобы найти ответы. Их исследование показывает, что запутанность электронов, фундаментальное квантовое явление, достигает максимума в квантовой критической точке: при переходе между двумя состояниями материи.

«Наши результаты показывают, что странные металлы демонстрируют уникальную структуру запутанности, которая позволяет по-новому взглянуть на их экзотическое поведение, — сказал Си. — Используя теорию квантовой информации, мы обнаруживаем глубокие квантовые корреляции, которые ранее были недоступны».

Новый способ изучения странных металлов

В большинстве металлов электроны движутся упорядоченно, следуя хорошо известным законам физики. Однако странные металлы нарушают эти правила, демонстрируя необычное сопротивление электричеству и проявляя необычные свойства при очень низких температурах. Чтобы разгадать эту загадку, исследователи сосредоточились на теоретической модели под названием «решётка Кондо», которая описывает взаимодействие магнитных моментов с окружающими их электронами.

В точке критического перехода эти взаимодействия становятся настолько интенсивными, что фундаментальные составляющие электрического поведения, известные как квазичастицы, исчезают. Используя QFI, исследователи проследили за тем, как происходит потеря квазичастиц и как запутываются электронные спины, и обнаружили, что запутанность достигает своего пика именно в этой квантовой критической точке.

Этот новый подход применяет QFI, который в основном используется в квантовой информатике и точных измерениях, для изучения металлов.

«Объединяя квантовую информатику с физикой конденсированных сред, мы открываем новое направление в исследованиях материалов», — сказал Си.

Возможный путь к более эффективной энергетике

Теоретические расчёты исследователей неожиданно совпали с реальными экспериментальными данными, в частности с результатами неупругого рассеяния нейтронов — метода, используемого для изучения материалов на атомном уровне. Эта связь подтверждает идею о том, что квантовая запутанность играет фундаментальную роль в поведении странных металлов.

Изучение странных металлов — это не просто академическая задача, оно может принести значительную технологическую пользу. Эти материалы тесно связаны с высокотемпературными сверхпроводниками, которые могут передавать электричество без потерь энергии. Раскрытие их свойств может произвести революцию в электроэнергетике, сделав передачу энергии более эффективной.

Исследование также показывает, как инструменты квантовой информации могут быть применены к другим экзотическим материалам. Странные металлы могут сыграть важную роль в будущих квантовых технологиях, где усиленная запутанность является ценным ресурсом. Исследование предоставляет новую основу для характеристики этих сложных материалов, показывая, когда достигается пик запутанности.

В исследовательскую группу вошли Юань Фан из Райса, Имин Ван, Муника Маханкали и Лэй Чен, а также Хаою Ху из Международного физического центра в Доностии и Силке Пашен из Венского технологического университета.

Источник: Phys.org