En un nuevo estudio, Físicos estadounidenses y austriacos han observado un entrelazamiento cuántico entre "miles de millones de miles de millones" de electrones que fluyen en un material crítico cuántico.

La investigación, que aparece esta semana en Ciencias , examinó el comportamiento electrónico y magnético de un compuesto de "metal extraño" de iterbio, rodio y silicio a medida que se acercaban y pasaban por una transición crítica en el límite entre dos fases cuánticas bien estudiadas.

El estudio de la Universidad Rice y la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) proporciona la evidencia directa más sólida hasta la fecha del papel del entrelazamiento en la generación de criticidad cuántica. dijo el coautor del estudio, Qimiao Si, de Rice.

"Cuando pensamos en el entrelazamiento cuántico, pensamos en pequeñas cosas, "Si dijo." No lo asociamos con objetos macroscópicos. Pero en un punto crítico cuántico, las cosas son tan colectivas que tenemos la oportunidad de ver los efectos del entrelazamiento, incluso en una película metálica que contiene miles de millones de miles de millones de objetos de la mecánica cuántica ".

Si, un físico teórico y director del Rice Center for Quantum Materials (RCQM), ha pasado más de dos décadas estudiando qué sucede cuando materiales como metales extraños y superconductores de alta temperatura cambian de fase cuántica. Una mejor comprensión de estos materiales podría abrir la puerta a nuevas tecnologías en informática, comunicaciones y más.

El equipo internacional superó varios desafíos para conseguir el resultado. Los investigadores de TU Wien desarrollaron una técnica de síntesis de materiales altamente compleja para producir películas ultrapuras que contienen una parte de iterbio por cada dos partes de rodio y silicio (YbRh2Si2). A temperatura de cero absoluto, el material experimenta una transición de una fase cuántica que forma un orden magnético a otra que no lo hace.

En Rice, Xinwei Li, coautor principal del estudio, luego un estudiante de posgrado en el laboratorio del coautor y miembro de RCQM Junichiro Kono, realizó experimentos de espectroscopía de terahercios en las películas a temperaturas tan bajas como 1,4 Kelvin. Las mediciones de terahercios revelaron la conductividad óptica de las películas YbRh2Si2 cuando se enfriaron hasta un punto crítico cuántico que marcó la transición de una fase cuántica a otra.

"Con metales extraños, existe una conexión inusual entre la resistencia eléctrica y la temperatura, ", dijo la autora correspondiente Silke Bühler-Paschen del Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien." En contraste con los metales simples como el cobre o el oro, esto no parece deberse al movimiento térmico de los átomos, sino a las fluctuaciones cuánticas a la temperatura del cero absoluto ".

Para medir la conductividad óptica, Li iluminó radiación electromagnética coherente en el rango de frecuencia de terahercios en la parte superior de las películas y analizó la cantidad de rayos de terahercios que pasaban en función de la frecuencia y la temperatura. Los experimentos revelaron "escalado de frecuencia sobre temperatura, "un signo revelador de criticidad cuántica, dijeron los autores.

Kono, ingeniero y físico de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice, Dijo que las medidas fueron minuciosas para Li, quien ahora es investigador postdoctoral en el Instituto de Tecnología de California. Por ejemplo, solo una fracción de la radiación de terahercios brillaba sobre la muestra que pasaba al detector, y la medida importante era cuánto subía o bajaba esa fracción a diferentes temperaturas.

"Se transmitió menos del 0,1% de la radiación total en terahercios, y la señal, que era la variación de la conductividad en función de la frecuencia, fue un pequeño porcentaje más de eso, "Dijo Kono." Se necesitaron muchas horas para tomar datos confiables en cada temperatura para promediar sobre muchas, muchas medidas, y fue necesario tomar datos en muchos, muchas temperaturas para probar la existencia de incrustaciones.

"Xinwei fue muy, muy paciente y persistente, "Dijo Kono." Además, procesó cuidadosamente las enormes cantidades de datos que recopiló para desarrollar la ley de escala, lo cual fue realmente fascinante para mí ".

Hacer las películas fue aún más desafiante. Para hacerlos lo suficientemente delgados como para pasar rayos de terahercios, El equipo de TU Wien desarrolló un sistema de epitaxia de haz molecular único y un elaborado procedimiento de crecimiento. Iterbio, el rodio y el silicio se evaporaron simultáneamente de fuentes separadas en la proporción exacta de 1-2-2. Debido a la alta energía necesaria para evaporar el rodio y el silicio, el sistema requería una cámara de vacío ultra alto hecha a medida con dos evaporadores de haz de electrones.

"Nuestro comodín fue encontrar el sustrato perfecto:germanio, ", dijo el estudiante graduado de TU Wien, Lukas Prochaska, un coautor principal del estudio. El germanio era transparente a terahercios, y tenía "ciertas distancias atómicas (que eran) prácticamente idénticas a las que hay entre los átomos de iterbio en YbRh2Si2, lo que explica la excelente calidad de las películas, " él dijo.

Si recordó haber discutido el experimento con Bühler-Paschen hace más de 15 años cuando estaban explorando los medios para probar una nueva clase de punto crítico cuántico. El sello distintivo del punto crítico cuántico que estaban avanzando con sus compañeros de trabajo es que el entrelazamiento cuántico entre espines y cargas es crítico.

"En un punto crítico cuántico magnético, La sabiduría convencional dicta que solo el sector de la hilatura será crítico, ", dijo." Pero si los sectores de carga y giro están entrelazados cuánticamente, el sector de cobros terminará siendo crítico también ".

En el momento, la tecnología no estaba disponible para probar la hipótesis, pero para 2016, la situación había cambiado. TU Wien podría hacer crecer las películas, Rice había instalado recientemente un poderoso microscopio que podía escanearlos en busca de defectos, y Kono tenía el espectrómetro de terahercios para medir la conductividad óptica. Durante la visita sabática de Bühler-Paschen a Rice ese año, ella, Si, La experta en microscopía de Kono y Rice, Emilie Ringe, recibió apoyo para llevar a cabo el proyecto a través de un Premio a la excelencia interdisciplinaria del programa Creative Ventures recientemente establecido por Rice.

"Conceptualmente, fue realmente un experimento de ensueño, "Si dijo." Sondear el sector de carga en el punto crítico cuántico magnético para ver si es crítico, si tiene escalamiento dinámico. Si no ves nada colectivo, eso es escalar, el punto crítico tiene que pertenecer a algún tipo de descripción de libro de texto. Pero, si ves algo singular, que de hecho hicimos, entonces es una evidencia nueva y muy directa de la naturaleza de entrelazamiento cuántico de la criticidad cuántica ".

Si dijo que todos los esfuerzos que se hicieron en el estudio valieron la pena, porque los hallazgos tienen implicaciones de gran alcance.

"El entrelazamiento cuántico es la base para el almacenamiento y procesamiento de información cuántica, "Si dijo". Al mismo tiempo, Se cree que la criticidad cuántica impulsa la superconductividad a alta temperatura. Por tanto, nuestros hallazgos sugieren que la misma física subyacente, la criticidad cuántica, puede conducir a una plataforma tanto para la información cuántica como para la superconductividad de alta temperatura. Cuando uno contempla esa posibilidad, uno no puede evitar maravillarse ante la maravilla de la naturaleza ".

Si es el profesor Harry C. y Olga K. Wiess en el Departamento de Física y Astronomía de Rice. Kono es profesor en los departamentos de Ingeniería Eléctrica e Informática de Rice, Física y Astronomía, y Ciencia de Materiales y Nanoingeniería y el director del Programa de Posgrado en Física Aplicada de Rice. Ringe está ahora en la Universidad de Cambridge. Los coautores adicionales incluyen a Maxwell Andrews, Maximiliano Bonta, Werner Schrenk, Andreas Limbeck y Gottfried Strasser, todo el TU Wien; Hermann Detz, anteriormente en TU Wien y actualmente en la Universidad de Brno; Elisabeth Bianco, anteriormente en Rice y actualmente en la Universidad de Cornell; Sadegh Yazdi, anteriormente en Rice y actualmente en la Universidad de Colorado Boulder; y el coautor principal Donald MacFarland, anteriormente de TU Wien y actualmente en la Universidad de Buffalo.