Квантовый прорыв поможет разгадать тайну странных металлов и сверхпроводимости
Ученые десятилетиями ломали голову над загадкой странных металлов. Однако недавний прорыв исследователей из Университета Райса и Венского технического университета (TU Wien) дает важную подсказку. Оказывается, вблизи определенной квантовой критической точки электроны в этих материалах запутываются сильнее, чем когда-либо. Эта работа открывает новые перспективы для понимания таких экзотических состояний материи, как квантовые металлы**. Используя квантовую информацию Фишера (КИФ), инструмент из мира квантовых вычислений, команда показала, как запутанность резко возрастает именно в момент квантового фазового перехода.
Загадка странных металлов
Странные металлы получили свое название из-за необычного поведения их электрического сопротивления. В обычных металлах, таких как медь или золото, сопротивление растет пропорционально квадрату температуры при очень низких температурах. Потому что электроны в них ведут себя как квазичастицы (фермионы), образуя так называемую Ферми-жидкость.
Однако в странных металлах сопротивление линейно зависит от температуры, опускаясь до самых низких достижимых значений. Такое поведение указывает на то, что привычная картина Ферми-жидкости здесь не работает. Электроны в них ведут себя коллективно и сильно взаимодействуют. Понимание этого феномена крайне важно, так как страннометаллическое поведение часто наблюдается в материалах, которые при дальнейшем охлаждении становятся высокотемпературными сверхпроводниками. Разгадка тайны странных металлов может привести к созданию сверхпроводников, работающих при комнатной температуре.
Измерение квантовой запутанности
Ключевым свойством квантовых систем является квантовая запутанность. Это явление, при котором частицы остаются связанными независимо от расстояния между ними. Изменение состояния одной частицы мгновенно влияет на другую. Измерить степень запутанности в сложном материале, состоящем из множества взаимодействующих электронов, — чрезвычайно трудная задача.
Исследователи применили для этой цели квантовую информацию Фишера (КИФ). Это метрика, заимствованная из квантовой теории информации. Она показывает, насколько чувствительно квантовое состояние системы к изменениям внешних параметров. Чем выше значение КИФ, тем сильнее запутаны частицы в системе.
Моделирование и результат
Команда использовала теоретическую модель, известную как модель Кондо-решетки, для описания поведения тяжелых фермионов. Это класс материалов, которые могут проявлять свойства странных металлов. В качестве конкретного примера они моделировали соединение иттербия, родия и кремния (YbRh₂Si₂). Этот материал известен тем, что демонстрирует переход от состояния Ферми-жидкости к страннометаллическому поведению вблизи квантовой критической точки (ККТ).
ККТ — это точка при абсолютном нуле температуры, где материал претерпевает фазовый переход между различными квантовыми состояниями под действием внешнего параметра, например, магнитного поля. Расчеты показали, что КИФ, а следовательно, и квантовая запутанность, достигает резкого пика именно в этой критической точке.
Цитата исследователя Кимяо Си (Qimiao Si):
> «Когда мы думаем о квантовой критичности, мы обычно представляем себе коллективные флуктуации во времени и пространстве. Мы показали, что критичность проявляется и в квантовой запутанности на уровне отдельных электронов.»
Значение открытия
Это открытие впервые количественно связывает пик квантовой запутанности с квантовой критической точкой в модели, описывающей реальные материалы. Оно подтверждает теоретические предположения о том, что именно в ККТ квантовые эффекты проявляются наиболее сильно. Понимание того, как возникает и изменяется запутанность в таких системах, является ключом к разгадке поведения **квантовые металлы**.
Более того, результаты могут пролить свет на механизм высокотемпературной сверхпроводимости. Поскольку она часто возникает из страннометаллического состояния вблизи ККТ, максимальная запутанность в этой точке может играть решающую роль в формировании сверхпроводящих пар электронов.
Цитата исследователя Сильке Пашен (Silke Paschen):
> «Использование КИФ для количественной оценки запутанности в таких сложных системах — это большой шаг вперед. Это открывает новые пути для исследования фундаментальных свойств квантовых материалов.»
Работа, опубликованная в журнале *Science*, объединила теоретические расчеты группы из Университета Райса под руководством Кимяо Си и экспериментальные данные, полученные ранее группой Сильке Пашен в TU Wien. Это яркий пример плодотворного сотрудничества между теоретиками и экспериментаторами. Понимание природы этих **квантовые металлы** и их связи со сверхпроводимостью может привести к революции в энергетике и электронике. В будущем исследователи планируют применить этот подход к изучению других материалов со сложным квантовым поведением.