维也纳大学和美国研究机构发现全新令人惊讶的量子临界形式

2021年05月24日 21:25 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

来自维也纳大学的一个研究小组与美国的研究机构一起发现了一种令人惊讶的量子临界形式,这可能会带来一种新的材料设计理念。在日常生活中,相变通常与温度变化有关,例如,当一个冰块变热并融化成水等等。

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但也有不同种类的相变,取决于其他参数,如磁场。为了了解材料的量子特性,当相变直接发生在温度的绝对零点时,就显得特别有趣。这些转变被称为 "量子相变"或 "量子临界点"。一个奥地利-美国研究小组现在已经在一种新材料中发现了这样一个量子临界点,而且是以一种异常原始的形式。这种材料的特性现在正在被进一步研究。人们怀疑这种材料可能是一种所谓的Weyl-Kondo半金属,由于特殊的量子态(或者所谓的拓扑态),它被认为在量子技术方面具有巨大的潜力。如果这被证明是真的,那么就有可能有针对性地开发拓扑量子材料。

维也纳大学、约翰霍普金斯大学、美国国家标准与技术研究所(NIST)和莱斯大学合作论文已经发表在《科学进展》杂志上。通常,量子临界行为是在金属或绝缘体中研究的。但现在研究的是一种半金属,这种材料是一种铈、钌和锡的化合物,其特性介于金属和半导体之间。通常情况下,量子临界只能在非常特殊的环境条件下产生,需要一定的压力或电磁场。然而,令人惊讶的是,这种半金属在完全没有任何外部影响的情况下变成了量子临界。约翰霍普金斯大学科林-布罗霍姆教授团队的博士生韦斯利-福尔曼说,他用中子散射测量对这一结果做出了重要贡献。

这一令人惊讶的结果可能与电子在这种材料中行为有一些特殊特点有关。它是一个高度相关的电子系统。这意味着电子之间有很强的相互作用,你不能通过单独观察电子来解释它们的行为,这种电子互动导致了所谓的近藤效应。在这里,材料中的一个量子自旋被它周围的电子所屏蔽,因此该自旋不再对材料的其他部分有任何影响。如果只有相对较少的自由电子,如半金属中的情况,那么近藤效应是不稳定的。这可能是该材料量子临界行为的原因所在,即系统在有近藤效应的状态和无近藤效应的状态之间波动。 这一结果之所以具有如此重要性,主要是因为它被怀疑与 "Weyl费米子"现象密切相关。在固体中,Weyl费米子可以以准粒子的形式出现,即作为集体激发,如池塘中的波。

根据理论预测,这种Weyl费米子应该存在于这种材料中。然而,实验证明还没有找到。科学家们怀疑他们观察到的量子临界性有利于这种Weyl费米子的出现。量子临界波动可能对Weyl费米子有稳定作用,其方式类似于高温超导体中的量子临界波动将超导库珀对固定在一起。这是一个非常基本的问题,是全世界很多研究的主题,这群科学家在这里发现了其中一个新线索。在他们看来,某些量子效应,即量子临界波动、Kondo效应和Weyl费米子,在新发现的材料中紧密地交织在一起,并一起产生了奇异的Weyl-Kondo状态。这些是具有极大稳定性的 "拓扑"状态,与其他量子状态不同,不能轻易被外部破坏,使得它们可以用在量子计算机当中。

为了验证这一切,科学家们将在不同的外部条件下进行进一步的测量。研究小组预计,在其他材料中也应该发现类似的各种量子效应相互作用,这可能会导致建立一个设计概念,用它来专门改进、定制此类材料,并用于具体应用。

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