博科园|接近绝对零度时,热力学涨落几乎消失了,而量子涨落被观察到!

2020-01-14

常见相变是那些作为温度变化的函数而发生的相变,例如冰在0摄氏度时开始转变为液态水,液态水在100摄氏度时转变为水蒸气。同样,磁性材料在临界温度下变得非磁性,然而也有不依赖于温度的相变,它们发生在绝对零度(-273.15摄氏度)附近,并与量子涨落有关。一项研究涉及极端条件下的实验,特别是超低温和强磁场,并伴随着对实验结果的理论解释,探索了这种类型的情况,并研究了在极不寻常的转变中表现出量子临界点。

意大利研究员瓦伦蒂娜·马尔泰利(Valentina Martelli)和秘鲁教授胡里奥·拉雷拉(Julio Larrea)都是巴西圣保罗大学物理研究所(IF-USP)的教授都参与了这项研究,其研究成果发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。实验部分由Silke Paschen教授领导,在奥地利维也纳科技大学(TUW)的实验室进行。这项理论工作是由美国莱斯大学物理学和天文学教授斯奇妙领导的一个小组完成。研究发现并解释了与近藤效应双重击穿相关两个连续量子临界点的证据。

近藤效应以日本物理学家近藤俊(1930年出生)命名,解释了以稀土元素为基础的金属化合物中重费米子的形成。在这些化合物中,电子由于它们的强相关性而集体行为,形成单重态(表现为单个粒子的不同粒子集合),这可以表示为稀土离子的局域磁矩与其周围传导电子的耦合,这种准粒子的质量可以达到自由电子质量的数千倍。在这里描述的研究中,单重态在两个磁序中被打破了两次:一个偶极,由准粒子的磁矩产生,另一个四极,由其电子轨道之间的相互作用产生。
实验用重费米子Ce3Pd20Si6进行,它是铈(Ce),钯(Pd)和硅(Si)的化合物。Larrea将在圣保罗研究基金会的支持下,通过“极端条件下拓扑和奇异量子态的研究”项目继续研究。这些转变的起点是电子和某些材料之间的强相关性,这使我们能够理解这种状态变化。各种集体相互作用可以影响电子,一种可能的状态是通常所说的“奇怪的金属”。在重费米子中,电子传输类似于普通金属的电子传输,但电子是强相关的,集体行为就好像它们形成了一个单一的准粒子来传输电荷。

  • (博科园图示)相图显示了两个量子临界点,QCP1和QCP2,在这两个点上,偶极和四极磁序分别破裂。垂直轴上的量T是以开尔文为单位的绝对温度;水平轴上的量B是以特斯拉为单位的磁场。图片:PNAS

这不是在量子相变中发生的,所以这种状态被称为“奇怪”。在实验中观察到的是,电阻等物理性质的表现与金属中的经典电子传输有很大不同。这种现象发生在极低的温度下,非常接近绝对零度,当温度降到这么低时,热力学涨落几乎消失了,而量子涨落被观察到,构成了电子之间发生相互作用的“介质”。在研究发表之前,大多数此类实验都集中在电子相关性导致所谓的同时巡回和局域电子磁性材料上。这些材料属于稀土类,包括重费米子:“费米子”是因为电子具有分形自旋并服从费米-迪拉克统计;

“重”是因为它们与具有大有效质量的准粒子相关。这些材料也有磁矩,所以除了带电荷的准粒子外,还与具有被传导电子屏蔽或磁矩屏蔽的准粒子有关。每个磁矩屏蔽可以耦合到晶格中的相邻磁矩,在整个材料中产生磁序。在Ce3Pd20Si6的情况下,这个顺序是反铁磁性的,这意味着晶格中的磁矩以反平行方式耦合。在量子临界点,这种磁序可以在不受热力学控制参数影响的情况下通过施加磁场来抑制,近藤单线态分解,耦合到这个磁性秩序的电子简单地分离。

这与量子力学的基本原理并不矛盾,但它与基础物理教科书中描述的非常不同。因为磁矩是相对于自旋定义的,所以对磁序的抑制产生了一种电子似乎缺少自旋的情况。这个基于磁序的量子临界点之前已经在其他研究中发表过。本研究情况的不同之处在于,除了偶极磁序之外,材料还表现出由电子轨道产生的四极磁序。相图几乎是研究的图形总结,因此显示了两个量子临界点:一个是偶极序被破坏的,另一个是四极序被打破的。

除了这一发现,研究结果也很重要,因为有助于理解其他尚未解决的问题,例如电子是如何集体组织来产生超导的。某些电子之间具有强相关性的材料可以提供这一点,即使在与绝对零度不同的温度下,这些强相关性也可以被抑制,以有利于形成具有可测量物理性质的新态。下一步研究将是使用一种不同的控制参数(压力)来扩展对电子相关性变化的研究,以便将来可以在量子计算等领域利用这些知识进行技术上的应用。


博科园|研究/来自:FAPESP

参考期刊《美国国家科学院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1908101116

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