来源: 美国莱斯大学，Jade Boyd；太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

太赫兹辐射用来分析材料。
图片来源：维也纳科技大学

    在一项新的研究中，美国与奥地利的物理学家们观察到，在一种量子临界材料中，“数十亿”的流动电子之间存在着量子纠缠。

    该项研究发表在本周《科学》(Science)杂志上。它研究了一种由镱、铑和硅组成的“奇怪金属”化合物，当其接近并通过两组精心研究量子相位临界跃迁时的电子与磁性行为。

    莱斯大学和维也纳理工大学的这项研究提供了迄今为止最有力的直接证据，它证明了量子纠缠在导致量子临界方面的作用。该研究的作者之一、莱斯大学的斯齐妙(音译)说到，“当我们说到量子纠缠时，我们想到的是微小的事物，我们没有把它和宏观物体联系起来。但是在一个量子临界点，它们是如此的聚集，所以我们就有机会看到量子纠缠的影响，即便是在一张小小的金属薄膜中，也包含了数十亿个量子力学物体。”

    作为理论物理学家的斯教授，也是的量子材料莱斯中心的主任，二十多年来一直致力于“奇怪金属”与高温超导体等材料在改变量子相位时会发生什么情况的研究。对于这些材料的深度理解与研究，可为计算机、通信等领域的新技术打开方便之门。

    这支国际研究团队克服了重重困难，最终才取得这一成果。维也纳理工大学的研究人员开发出一种高度复杂的材料合成技术，创造出一种超纯薄膜，其中镱、铑、硅的含量比是1：2：2 (YbRh2Si2)。在绝对零度时，这种薄膜会发生转变，即从形成磁序的一种量子相转变成另一种不形成磁序的量子相。

    在莱斯大学，该研究的另一位主要作者李新伟（音译），（当时还是本研究另一位作者，也是RCQM成员的小野纯一郎教授（Junichiro Kono）的研究生）在低至1.4开尔文的温度条件下，对这些薄膜进行了大量的太赫兹光谱实验。当超纯薄膜被冷却到量子相发生转变的量子临界点时，太赫兹测量揭示出了YbRh2Si2薄膜的光电导率。

    “对于奇怪金属，电阻和温度之间有一种不寻常的联系。”维也纳大学固体物理研究所的Silke Bühler Paschen解释到，她同时也是本研究的通讯作者。“与铜或金等简单金属相比，这似乎不是因为原子的热运动，而是由于绝对零度温度下量子的涨落而形成。

    为了测量光导率，李新伟在太赫兹频率范围内使用了相干电磁辐射来照射超纯薄膜，并分析了通过薄膜的太赫兹射线的频率与温度函数。本研究的作者们表示，这些实验揭示出“频率与温度的标度率”，这是量子临界现象的重要标识。

    莱斯布朗工程学院工程师与物理学家小野纯一郎教授表示，获得这些测量数据对于李新伟（目前是加州理工学院博士后研究员）来说可谓辛苦异常。譬如，照射在薄膜样品上的太赫兹辐射只有很少一部分可以通过探测器，而那一小部分辐射在不同温度下的升降数据又是测量的重中之重。

    “实验中被传输的部分不到总太赫兹辐射的0.1%，而信号是电导率变化的频率函数，它又仅仅只占其中的几个百分点，”小野表示，“在不同温度下要获取可靠的数据，在每一个温度范围内都需要花费很多小时进行多次测量和平均，为了证明频率与温度标度率的存在，又需要获取许多不同温度下的数据组。”

    “新伟非常非常的耐心，而且十分有毅力，”小野补充到，“不仅如此，新伟还对自己收集的大量数据进行了细致地处理，真正展现出频率与温度标度率的存在，这让我十分赞叹。”

Silke Bühler-Paschen在维也纳理工大学实验室中
来源: Luiza Puiu /维也纳理工大学

    此外，超纯薄膜的制作同样也充满了挑战。为了让薄膜足够薄，为了让它能够通过太赫兹射线，维也纳大学研究小组开发出一种独特的分子束外延系统以及一套十分复杂的生成程序。制作过程中，蒸发所得的镱、铑、硅分别源自不同区域，其含量比精确为1:2:2。由于蒸发铑和硅需要很高的能量，该系统还需要专门定制一个带有两个电子束蒸发器的超高真空室。

    “我们的胜算之牌是找到了最理想的基质:锗。”维也纳大学研究生Lukas Prochaska说到，他也是本研究的主要作者之一。锗对太赫兹是透明的，并且“在某些原子距离上与超纯薄膜中的镱原子几乎完全相同，这也就解释了为什么这些薄膜的品质如此优异。”

    斯教授回忆起15年前，当时他们还在探索这类新型量子临界点测试方法时，就曾与Bühler Paschen一起讨论过这样的实验。他们之间一直以来与同事们所津津乐道的量子临界点标志就是自旋间量子的纠缠与电荷，这些都十分重要。

    “在磁性量子临界点，传统的观点认为只有自旋部分是关键，” 斯教授继续说到，“但如果电荷和自旋部分纠缠于量子，电荷部分最终也将成为关键所在。”

    当然，当时的技术还无法验证这一假设，直到2016年，情况就发生了变化。维也纳大学当时可以制造出这种薄膜，而莱斯大学也安装了一台功能强大的显微镜，可用于扫描薄膜的缺陷。小野教授也开始利用太赫兹光谱仪来测量光导率。就在那一年Bühler Paschen对莱斯大学的休假访问期间，她、施教授、小野以及莱斯大学显微镜专家Emilie Ringe就开始了一起的合作，并获得了莱斯大学新建立的创新创业立项目跨学科优等奖资助。他们携手共同继续开展对于该项目的研究。

    “从概念上讲，这确实是一个梦想实验。”施教授表示，“探测磁量子临界点的电荷区，看看它是否临界，是否具有动态标度。如果你没有看到任何集合，那就是标度，临界点必须属于某种教科书类型的描述。但是，如果你看到一些奇异的东西，事实上我们确实看到了，那么它就是量子临界的量子纠缠性质的非常直接和新的证据。

    施教授还说，这项研究的所有努力都是值得的，因为这些发现意义深远。

    “量子纠缠是存储和处理量子信息的基础。”施教授补充到，“与此同时，量子临界被认为是具备驱动高温超导性。因此，我们的发现表明，相同的物理基质——量子临界——既可以为量子信息，也可以为高温超导提供同一个平台。当一个人在思考这种可能性时，他不能不对大自然的奇迹感到惊奇。

    施教授是莱斯大学物理与天文系的Harry C.和Olga K. Wiess教授。小野纯一郎是莱斯大学电子和计算机工程系，物理和天文学系，材料科学和纳米工程系教授，同时也是莱斯大学应用物理研究生处主任。Ringe现就职于剑桥大学。其余合作者包括来自维也纳大学的Maxwell Andrews, Maximilian Bonta, Werner Schrenk, Andreas Limbeck 和Gottfried Strasser。Hermann Detz曾就职于维也纳大学，现就职于布尔诺理工大学；Elisabeth Bianco, 曾就职于莱斯大学，现就职于康乃尔大学；Sadegh Yazdi 曾就职于莱斯大学，现就职于科罗拉多大学波德分校；以及重要合作者之一Donald MacFarland，曾就职于维也纳大学，现就职于巴法罗大学。