量子猫的新毛皮：首次发现的许多原子的量子纠缠

薛定谔的量子毛皮猫：在LiHoF4材料中，来自德累斯顿大学和慕尼黑大学的物理学家发现了一种新的量子相变，其中域以量子力学的方式表现。图片来源：C. Hohmann，MCQST

无论是磁铁还是超导体，材料都以其各种特性而闻名。然而，这些性质可能会在极端条件下自发改变。德累斯顿工业大学（TUD）和慕尼黑工业大学（TUM）的研究人员发现了一种全新的相变类型。它们显示了涉及许多原子的量子纠缠现象，而以前只在少数原子的领域内观察到这种现象。研究结果最近发表在科学杂志《自然》上。

量子猫的新毛皮

在物理学中，薛定谔的猫是量子力学中两个最令人敬畏的效应的寓言：纠缠和叠加。来自德累斯顿和慕尼黑的研究人员现在已经观察到这些行为，其规模比最小粒子的尺度要大得多。到目前为止，显示磁性等特性的材料已经知道具有所谓的域 - 其中材料属性均匀地是一种或另一种的岛屿（例如，想象它们是黑色或白色）。

研究氟化钬锂（LiHoF）4），物理学家现在已经发现了一种全新的相变，在这个相变中，这些域令人惊讶地表现出量子力学特征，导致它们的性质变得纠缠在一起（同时是黑色和白色的）。“我们的量子猫现在有了新的皮毛，因为我们在LiHoF中发现了一种新的量子相变。4这在以前是不知道存在的，“TUD理论固体物理学主席Matthias Vojta说。

相变和纠缠

如果我们观察水，我们可以很容易地观察到一种物质的自发变化的性质——在100摄氏度时，它蒸发成气体，在零摄氏度时，它冻结成冰。在这两种情况下，这些新的物质状态都是相变的结果，其中水分子重新排列自己，从而改变了物质的特征。磁性或超导性等特性是电子在晶体中经历相变的结果。对于在-273.15摄氏度接近绝对零度的温度下的相变，缠结和量子相变等量子力学效应会发挥作用。

“尽管有超过30年的广泛研究致力于量子材料的相变，但我们之前认为纠缠现象仅在微观尺度上发挥作用，它一次只涉及几个原子，”TUM相关系统拓扑学教授Christian Pfleiderer解释说。

量子纠缠是纠缠的量子粒子以共享叠加状态存在的一种状态，该状态允许通常相互排斥的性质（例如，黑色和白色）同时发生。通常，量子力学定律仅适用于微观粒子。来自慕尼黑和德累斯顿的研究小组现在已经成功地在更大的尺度上观察到量子纠缠的影响，即数千个原子的影响。为此，他们选择与著名的化合物LiHoF合作。

球形样品可实现精确测量

在非常低的温度下，LiHoF4充当铁磁体，其中所有磁矩自发地指向同一方向。然后，如果将磁场精确地垂直施加到首选的磁性方向，则磁矩将改变方向，这称为波动。磁场强度越高，这些波动就越强，直到最终，铁磁性在量子相变时完全消失。这导致相邻磁矩的纠缠。“如果你举起一个LiHoF4样品到一个非常强的磁铁上，它突然不再自发地具有磁性。这已经知道了25年，“Vojta说。

新的是当你改变磁场的方向时会发生什么。“我们发现量子相变继续发生，而以前人们认为即使是磁场的最小倾斜也会立即抑制它，”Pfleiderer解释说。然而，在这些条件下，经历这些量子相变的不是单个磁矩，而是广泛的磁场区域，即所谓的铁磁畴。这些域构成了指向同一方向的整个磁矩岛。

“我们使用球形样品进行精密测量。这使我们能够精确地研究磁场方向微小变化时的行为，“Andreas Wendl补充道，他将实验作为其博士论文的一部分进行。

从基础物理到应用

“我们已经发现了一种全新的量子相变类型，其中纠缠发生在数千个原子的规模上，而不仅仅是在少数原子的微观世界中，”Vojta解释说。“如果你把磁畴想象成一个黑白模式，新的相变会导致白色或黑色区域变得无穷小，即产生一个量子模式，完全溶解。新开发的理论模型成功地解释了从实验中获得的数据。

“对于我们的分析，我们推广了现有的微观模型，并考虑了大铁磁域对微观性质的反馈，”Heike Eisenlohr说，她进行了计算，作为她的博士论文的一部分。

新量子相变的发现作为材料中量子现象研究以及新应用的基础和一般参考框架非常重要。“量子纠缠被应用并用于量子传感器和量子计算机等技术，”Vojta说。Pfleiderer补充说：“我们的工作是在基础研究领域，但是，如果您以受控的方式使用材料特性，这可能会对实际应用的发展产生直接影响。

更多信息：Andreas Wendl等人，铁磁体中中中尺度量子相变的出现，Nature（2022）。DOI： 10.1038/s41586-022-04995-5

期刊信息：《自然》