德国大学新突破：实现数千原子量子纠缠

量子纠缠是科学家探索的重要方向之一。而实现多原子纠缠，更是材料科学和量子计算领域的科学家和工程师追求的目标。最近，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：在LiHoF 4（一种偶极伊辛铁磁体）中，利用磁畴相变能实现多原子量子纠缠。

利用磁畴相变实现量子纠缠

相变，是指物质从一种相转变为另一种相的过程。例如，水加热到100摄氏度时会蒸发成气体，冷却到0摄氏度以下会结冰。在这两种情况下，水分子通过重新排列自身分子发生相变从而改变物质的特性。

同样地，磁性或超导性等特性是电子在晶体中经历相变后出现的。在铁磁材料中，当其被冷却到居里温度以下时，会发生自发磁化，并产生分化的、方向各异的小型磁化区域——畴。每个畴内所包含的大量原子的磁化方向一致，然后排列成矩阵。相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。

如今，TUD和TUM联合小组通过将相邻磁矩实施相变，实现了大规模量子纠缠。TUD理论固态物理学主席Matthias Vojta说：“人类发现这一原理的历史已有25年之久：将LiHoF 4材料放在非常强磁性的磁铁上，它会立刻停止自发磁性。”

TUM相关系统拓扑学教授Christian Pfleiderer进一步补充道：“我们的创新之处在于，如何利用磁场方向改变这一特性。”

他们提出，如果施加一个与首选磁方向完全垂直的磁场，磁矩将改变方向，这被称为波动现象。磁场强度越高，波动就越强，最终铁磁性将在量子相变中完全消失，导致相邻磁矩发生纠缠。

从基础研究走向实际应用

人们通常认为，即使是最小的磁场倾斜都会造成相变中断。该联合研究小组在论文中解释道：“我们认为，在微观尺度上的磁伊辛对称性破缺的环境中，铁磁畴的连续抑制，代表了介观尺度上平移对称性的破缺，与LiHOF4在倾斜场下的磁化率和磁相图对场和温度的依赖性，呈现出非常好的定性和定量一致性。由此确定了一种新的相变类型：中尺度量子临界性。”

利用球形样品进行精确测量，他们对磁场的微小变化进行了研究。Vojta 解释说：“我们发现了一种全新的量子相变，并实现了数千规模的原子纠缠。如果你将磁畴想象成黑白体，那么新的相变会导致白色或黑色区域变得无限小，形成量子图案，直至完全消失。”

新量子相变的发现为研究材料量子特性以及新应用奠定了重要基础和参考框架。Pfleiderer 补充说：“我们的工作处在基础研究领域。但如果您以可控的方式使用材料特性，它可能对实际应用的开发产生直接影响。”

该研究得到了德国联邦和州政府卓越战略的财政支持，包括Würzburg-Dresden拓扑和复杂量子物质研究中心ct.qmat和慕尼黑量子科学与技术中心MCQST。此外，这项工作还得到了欧洲研究理事会（ERC）和德国合作研究中心（SFB）的1143和TRR80项目拨款支持。

编译：A编辑：慕一