Квантовая запутанность в «странных металлах» поможет создать новые технологии

Ученые Университета Райс (США) и Венского технологического университета (Австрия) выявили, что электроны в «странных металлах» обладают квантовой запутанностью. Это не только поможет понять, как происходит квантовый фазовый переход, но и способствует созданию новых компьютерных и коммуникационных технологий.

Мы все время видим свидетельства классических фазовых переходов: например, лед тает или вода, которая кипит в кастрюле, испаряется. Материалы в квантовом мире тоже могут подвергаться переходам и менять свои физические свойства — этот переломный момент называется «квантовой критичностью». 

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, ученые доказали, что важную роль в достижении квантовой критической точки играет квантовая запутанность, когда состояние двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Гипотезу проверяли на «странных металлах» — тех, где электроны ведут себя не как независимые частицы, как в обычных металлах (золото, медь), а действуют «коллективно». 

Специально для эксперимента разработали ультрапроводящую пленку из силицида рубидия-иттербия (YbRh2Si2) и наблюдали, как менялось поведение электронов внутри нее при повышении и понижении температур. На создание такого сверхчистого образца «странного металла» ушло несколько лет. 

Для анализа свойств синтезированного материала ученые использовали терагерцовую спектроскопию, которая позволяет измерять оптическую проводимость пленок по мере их охлаждения до квантовой критической точки, отмечающей переход из одного состояния в другое. Они наблюдали, как электроны взаимодействовали с пучками терагерцового излучения и смотрели, насколько прозрачным «странный металл» оставался для этих лучей.

Стартовой для перехода от одной квантовой фазы к другой стала минимально возможная теоретическая температура — абсолютный нуль (возможен только в квантовой физике, если вещество находится в обычном состоянии, то его достичь нельзя) или -273,15 градусов по Цельсию (-459,67 градусов по Фаренгейту). 

В результате материал совершил переход из одной квантовой фазы, где есть магнитный порядок, к другой, где его нет. При этом поведение электронов резко изменилось: в одной из фаз они оказались сильно запутанными на квантовом уровне. Такое поведение было замечено у всех электронов, задействованных в одной конкретной фазе.

«Говоря о квантовой запутанности, мы рассуждаем о чем-то очень маленьком.  Мы не связываем ее с макроскопическими объектами. Но в квантовой критической точке все взаимодействия настолько коллективны, что у нас есть шанс увидеть эффекты запутывания даже в металлической пленке, которая содержит миллиарды миллиардов квантово-механических объектов».

 

Цимяо Си, один из авторов исследования,  сотрудник Университета Райса

В чем практическая польза открытия? Прежде всего, дальнейшее изучение запутанности, как надеются ученые, одновременно поможет им понять, как происходят квантовые фазовые переходы в «странных металлах» и раскрыть секреты работы высокотемпературных сверхпроводников.

Более того, квантовая запутанность — основа хранения и обработки информации, поэтому авторы полагают, что она может способствовать появлению мощной платформы, «контейнера» для хранения информации на квантовом уровне.