Dans une nouvelle étude, Des physiciens américains et autrichiens ont observé l'intrication quantique parmi des "milliards de milliards" d'électrons en circulation dans un matériau critique quantique.

La recherche, qui paraît cette semaine dans Science , examiné le comportement électronique et magnétique d'un composé "métal étrange" d'ytterbium, le rhodium et le silicium alors qu'il approchait et passait par une transition critique à la frontière entre deux phases quantiques bien étudiées.

L'étude de l'Université Rice et de l'Université de technologie de Vienne (TU Wien) fournit la preuve directe la plus solide à ce jour du rôle de l'intrication dans l'apparition de la criticité quantique, a déclaré le co-auteur de l'étude Qimiao Si de Rice.

"Quand on pense à l'intrication quantique, on pense aux petites choses, " dit Si. "Nous ne l'associons pas aux objets macroscopiques. Mais à un point critique quantique, les choses sont tellement collectives que nous avons cette chance de voir les effets de l'enchevêtrement, même dans un film métallique qui contient des milliards de milliards d'objets de mécanique quantique."

Si, un physicien théoricien et directeur du Rice Center for Quantum Materials (RCQM), a passé plus de deux décennies à étudier ce qui se passe lorsque des matériaux comme des métaux étranges et des supraconducteurs à haute température changent de phase quantique. Une meilleure compréhension de ces matériaux pourrait ouvrir la porte à de nouvelles technologies en informatique, communications et plus encore.

L'équipe internationale a surmonté plusieurs défis pour obtenir le résultat. Les chercheurs de la TU Wien ont développé une technique de synthèse de matériaux très complexe pour produire des films ultrapurs contenant une partie d'ytterbium pour deux parties de rhodium et de silicium (YbRh2Si2). Au zéro absolu de température, le matériau subit une transition d'une phase quantique qui forme un ordre magnétique à une autre qui ne le fait pas.

Chez Riz, le co-auteur principal de l'étude Xinwei Li, puis étudiant diplômé dans le laboratoire du co-auteur et membre du RCQM Junichiro Kono, ont effectué des expériences de spectroscopie térahertz sur les films à des températures aussi basses que 1,4 Kelvin. Les mesures térahertz ont révélé la conductivité optique des films d'YbRh2Si2 lorsqu'ils étaient refroidis jusqu'à un point critique quantique qui marquait la transition d'une phase quantique à une autre.

"Avec des métaux étranges, il existe un lien inhabituel entre la résistance électrique et la température, " a déclaré l'auteur correspondant Silke Bühler-Paschen de l'Institut de physique des solides de la TU Wien. " Contrairement aux métaux simples tels que le cuivre ou l'or, cela ne semble pas être dû au mouvement thermique des atomes, mais aux fluctuations quantiques à la température du zéro absolu."

Pour mesurer la conductivité optique, Li a projeté un rayonnement électromagnétique cohérent dans la gamme de fréquences térahertz sur les films et a analysé la quantité de rayons térahertz qui les traversaient en fonction de la fréquence et de la température. Les expériences ont révélé « une mise à l'échelle de la fréquence sur la température, " un signe révélateur de criticité quantique, disaient les auteurs.

Kono, ingénieur et physicien à la Brown School of Engineering de Rice, dit que les mesures étaient laborieuses pour Li, qui est maintenant chercheur postdoctoral au California Institute of Technology. Par exemple, seule une fraction du rayonnement térahertz a brillé sur l'échantillon passé au détecteur, et la mesure importante était de savoir de combien cette fraction augmentait ou diminuait à différentes températures.

"Moins de 0,1% du rayonnement térahertz total a été transmis, et le signal, qui était la variation de la conductivité en fonction de la fréquence, était encore quelques pour cent de cela, " a déclaré Kono. " Il a fallu de nombreuses heures pour obtenir des données fiables à chaque température pour faire la moyenne sur plusieurs, de nombreuses mesures, et il fallait prendre des données à plusieurs, plusieurs températures pour prouver l'existence de l'entartrage.

"Xinwei était très, très patient et persévérant, " dit Kono. " En plus, il a traité avec soin les énormes quantités de données qu'il a collectées pour déployer la loi d'échelle, ce qui était vraiment fascinant pour moi."

Faire les films était encore plus difficile. Pour les faire pousser assez minces pour laisser passer les rayons térahertz, l'équipe de la TU Wien a développé un système d'épitaxie par faisceau moléculaire unique et une procédure de croissance élaborée. Ytterbium, le rhodium et le silicium ont été évaporés simultanément à partir de sources séparées dans le rapport exact 1-2-2. En raison de la haute énergie nécessaire pour évaporer le rhodium et le silicium, le système nécessitait une chambre à ultravide sur mesure avec deux évaporateurs à faisceau d'électrons.

"Notre joker était de trouver le substrat parfait :le germanium, " a déclaré Lukas Prochaska, étudiant diplômé de la TU Wien, un co-auteur principal de l'étude. Le germanium était transparent au térahertz, et avait « certaines distances atomiques (qui étaient) pratiquement identiques à celles entre les atomes d'ytterbium dans YbRh2Si2, ce qui explique l'excellente qualité des films, " il a dit.

Si a rappelé avoir discuté de l'expérience avec Bühler-Paschen il y a plus de 15 ans, alors qu'ils exploraient les moyens de tester une nouvelle classe de point critique quantique. La caractéristique du point critique quantique qu'ils avançaient avec leurs collègues est que l'intrication quantique entre les spins et les charges est critique.

"À un point critique quantique magnétique, la sagesse conventionnelle dicte que seul le secteur du spin sera critique, " a-t-il dit. " Mais si les secteurs de charge et de rotation sont intriqués quantiquement, le secteur de la charge finira également par être critique."

À l'époque, la technologie n'était pas disponible pour tester l'hypothèse, mais d'ici 2016, la situation avait changé. TU Wien pourrait développer les films, Rice avait récemment installé un puissant microscope qui pouvait les scanner à la recherche de défauts, et Kono avait le spectromètre térahertz pour mesurer la conductivité optique. Au cours de la visite sabbatique de Bühler-Paschen à Rice cette année-là, elle, Si, L'experte en microscopie de Kono et Rice, Emilie Ringe, a reçu un soutien pour poursuivre le projet via un prix d'excellence interdisciplinaire du nouveau programme Creative Ventures de Rice.

"Conceptuellement, c'était vraiment une expérience de rêve, " dit Si. " Sondez le secteur de charge au point critique quantique magnétique pour voir s'il est critique, s'il a une mise à l'échelle dynamique. Si vous ne voyez rien de collectif, c'est la mise à l'échelle, le point critique doit appartenir à un certain type de manuel de description. Mais, si vous voyez quelque chose de singulier, ce que nous avons fait, alors c'est une preuve très directe et nouvelle de la nature d'intrication quantique de la criticité quantique."

Si a déclaré que tous les efforts déployés dans l'étude en valaient la peine, parce que les résultats ont des implications de grande envergure.

"L'intrication quantique est la base du stockage et du traitement de l'information quantique, " dit Si. " En même temps, On pense que la criticité quantique est à l'origine de la supraconductivité à haute température. Nos résultats suggèrent donc que la même physique sous-jacente – la criticité quantique – peut conduire à une plate-forme pour l'information quantique et la supraconductivité à haute température. Quand on envisage cette possibilité, on ne peut s'empêcher de s'émerveiller devant les merveilles de la nature."

Si est le professeur Harry C. et Olga K. Wiess au département de physique et d'astronomie de Rice. Kono est professeur dans les départements de génie électrique et informatique de Rice, Physique et Astronomie, et Materials Science and NanoEngineering et directeur du programme d'études supérieures en physique appliquée de Rice. Ringe est maintenant à l'Université de Cambridge. Les co-auteurs supplémentaires incluent Maxwell Andrews, Maximilien Bonta, Werner Schrenk, Andreas Limbeck et Gottfried Strasser, tout le TU Wien; Hermann Detz, anciennement de TU Wien et actuellement à l'Université de Brno; Elisabeth Bianco, anciennement de Rice et actuellement à l'Université Cornell; Sadegh Yazdi, anciennement de Rice et actuellement à l'Université du Colorado Boulder; et co-auteur principal Donald MacFarland, anciennement de TU Wien et actuellement à l'Université de Buffalo.