Berbilion elektron terperangkap kuantum yang terdapat dalam ‘logam pelik

Eksplorasi yang menunjukkan minggu ini dalam Sains, menganalisis kelakuan elektronik dan menarik sebatian logam “abnormal” ytterbium, rhodium dan silikon kerana keduanya mendekati dan melalui kemajuan asas di antara dua tahap kuantum yang dirancang dengan baik .

Siasatan di Universiti Rice dan Universiti Teknologi Vienna (TU Wien) memberikan bukti langsung yang paling mendasar hingga kini kerja entrapment dalam merealisasikan kritikal kuantum, kata penyelidik bersama penyelidik Qimiao Si dari Rice.

“Pada ketika kita mempertimbangkan perangkap kuantum, kita menganggap perkara-perkara kecil,” kata Si. “Kami tidak menyambungkannya dengan perkara-perkara yang jelas kelihatan. Oleh sebab itu, pada titik asas kuantum, benda-benda adalah kumpulan sehingga sejauh mana kita mendapat peluang ini untuk melihat kesan perangkap, walaupun dalam filem metalik yang mengandungi berbilion bilion barangan mekanik kuantum. “

Si, seorang fizik hipotesis dan ketua Pusat Rice untuk Bahan Kuantum (RCQM), telah melalui lebih dari dua dekad untuk mengkaji apa yang berlaku apabila bahan seperti logam pelik dan superkonduktor suhu tinggi mengubah peringkat kuantum. Lebih baik melihat bahan tersebut boleh membuka pintu masuk ke inovasi baru dalam mencari, surat-menyurat dan itu hanya permulaan.

Kumpulan global menawan beberapa kesukaran untuk mendapatkan hasilnya. Pakar TU Wien membina sistem penggabungan bahan yang sangat membingungkan untuk menyampaikan filem ultrapure yang mengandungi satu bahagian ytterbium untuk setiap dua bahagian rhodium dan silikon (YbRh2Si2). Pada suhu sifar total, bahan mengalami kemajuan dari satu peringkat kuantum yang membentuk permintaan yang menarik kepada yang lain yang tidak.

Di Rice, penyelidik bersama penyelidik Xinwei Li, pada masa itu seorang alumni yang berpengalaman di makmal pencipta bersama dan bahagian RCQM Junichiro Kono, melakukan spektroskopi terahertz menyiasat filem pada suhu serendah 1.4 Kelvin. Anggaran terahertz menemui kekonduksian optik filem YbRh2Si2 kerana ia disejukkan ke titik asas kuantum yang menandakan kemajuan bermula dengan satu peringkat kuantum kemudian ke seterusnya.

Dengan logam pelik, terdapat persamaan yang tidak biasa antara penentangan dan suhu elektrik,” kata membandingkan pencipta Silke Bühler-Paschen dari Institut Fizik Peperiksaan TU Wien. “Daripada logam lurus, sebagai contoh, tembaga atau emas, ini tidak kelihatan kerana pembangunan hangat dari iota, namun kepada kekosongan kuantum pada suhu sifar yang tidak dapat dinafikan.

Untuk mengukur kekonduksian optik, Li merangsang sinaran elektromagnetik yang terperinci dalam pengulangan terahertz menerusi filem-filem dan memecahkan ukuran rasuk terahertz yang telah dilalui sebagai komponen kambuhan dan suhu. Analisis itu mendedahkan berulang-ulang dari skala suhu,” tanda-tanda kritikal kuantum, kata pencipta.

Kono, pakar dan ahli fizik di Rice’s Brown School of Engineering, berkata anggaran berhati-hati untuk Li, yang kini seorang penganalisis postdoctoral di California Institute of Technology. Sebagai contoh, hanya sejumlah kecil radiasi terahertz yang bergemerlapan ke contoh yang diteruskan kepada pengecam, dan anggaran yang signifikan adalah bagaimana banyak bahagian itu naik atau jatuh pada pelbagai suhu.

Di bawah 0.1% daripada radiasi terahertz yang lengkap telah dihantar, dan tanda, yang merupakan pelbagai kekonduksian sebagai komponen pengulangan, adalah jauh lebih sedikit apa-apa peratus daripada itu,” kata Kono. “Ia mengambil masa berjam-jam untuk mengambil maklumat yang kukuh pada setiap suhu kepada rata-rata daripada banyak, banyak anggaran, dan penting untuk mengambil maklumat pada banyak, banyak suhu untuk menunjukkan kehadiran skala.

Xinwei sangat luar biasa, tenang dan tak kenal lelah,” kata Kono. “Lebih-lebih lagi, dia sengaja mengendalikan langkah-langkah gergasi maklumat yang dikumpulkannya untuk memperlihatkan undang-undang berskala, yang benar-benar menarik bagi saya.

Membuat filem itu banyak ujian tambahan. Untuk membangunkan mereka cukup rapih untuk melepasi balok terahertz, kumpulan TU Wien membina salah satu kerangka epitaxy bar atom jenis dan teknik pembangunan rumit. Ytterbium, rhodium dan silikon pada masa yang sama hilang dari sumber terpencil dalam bahagian 1-2-2 tertentu. Kerana daya hidup yang tinggi dijangka menghilangkan rhodium dan silikon, kerangka itu memerlukan sebuah ruang vakum ultrahigh yang direka khas dengan dua penyejat elektro-aci.

Kes khas kami mencari substrat yang ideal: germanium,” kata graduan TU Wien yang menganggap Lukas Prochaska, pencipta bersama penyelidikan. Germanium adalah mudah untuk terahertz, dan mempunyai “pemisahan nuklear tertentu (itu) untuk semua maksud dan tujuan yang tidak dapat dibezakan daripada mereka yang berada di antara molekul ytterbium di YbRh2Si2, yang menjelaskan sifat-sifat filem yang hebat,” katanya.

Si meneliti pemeriksaan dengan Bühler-Paschen lebih 15 tahun sebelum mereka melaburtengok cara untuk menguji kelas asas kuantum yang lain. Tanda titik asas kuantum yang mereka sedang berkembang dengan rakan sekerja adalah bahawa tindak balas kuantum antara tikungan dan caj adalah asas.

Pada titik asas kuantum yang menarik, cara berfikir dan cara pemikiran yang benar mengarahkan bahawa bersendirian adalah bahagian asas,” katanya. “Jadilah yang mungkin, sekiranya pertuduhan dan perpecahan adalah kuantum, segmen tenaga akan berakhir menjadi asas juga.

Pada masa itu, inovasi tidak dapat digunakan untuk menguji spekulasi, tetapi pada 2016, keadaan telah berubah. TU Wien dapat membangunkan filem-filem, Beras telah lama memperkenalkan lensa pembesar yang luar biasa yang dapat memeriksa mereka untuk ketidaksempurnaan, dan Kono mempunyai spektrometer terahertz untuk mengukur kekonduksian optik. Semasa lawatan bercuti Bühler-Paschen ke Rice pada tahun itu, beliau, tuan mikroskopi Si, Kono dan Rice, Emilie Ringe mendapat sokongan untuk mendapatkan tugas itu melalui Anugerah Kecemerlangan Interdisipliner dari program Ventura Kreatif.

Adroitly, ia sebenarnya cuba fantasi,” kata Si. “Uji kawasan caj di titik asas kuantum yang menarik untuk melihat sama ada ia asas, tidak kira sama ada ia mempunyai skala dinamik. Sekiranya anda tidak melihat apa-apa kumpulan, yang berskala, titik asas perlu mempunyai tempat dengan sesetengah jenis bahan bacaan seperti yang mungkin, sekiranya anda melihat sesuatu yang tertentu, yang pada hakikatnya kami lakukan, pada ketika itu ia adalah bukti yang segera dan baru untuk sifat kelenturan kuantum kritikal kuantum.

Si berkata setiap usaha yang masuk dalam peperiksaan adalah wajar, walau apa pun masalahnya, memandangkan fakta bahawa penemuan mempunyai kesan yang meluas.

“Penjumlahan kuantum adalah sebab untuk kapasiti dan pengendalian data kuantum,” kata Si. “Pada masa yang sama, kritikal kuantum diterima untuk memacu superkonduktiviti suhu tinggi, jadi penemuan kami mengesyorkan bahawa sains bahan asas yang setara – kuantiti kritikal – boleh mendorong pentas untuk kedua-dua data kuantum dan superkonduktiviti suhu tinggi. kebarangkalian, seseorang benar-benar ingin bertanya-tanya tentang keajaiban alam. “

Si adalah Harry C. apa lagi, Profesor Olga K. Wiess di Jabatan Rice Fizik dan Astronomi. Kono adalah seorang pendidik di Rice cabang Kejuruteraan Elektrik dan Komputer, Fizik dan Astronomi, dan Sains Bahan dan NanoEngineering dan ketua Rice’s Applied Physics Graduate Program. Ringe kini berada di Universiti Cambridge.

Pencipta bersama tambahan menggabungkan Maxwell Andrews, Maximilian Bonta, Werner Schrenk, Andreas Limbeck dan Gottfried Strasser, keseluruhan TU Wien; Hermann Detz, di masa lalu TU Wien dan sekarang di Universiti Brno; Elisabeth Bianco, sekali di masa lalu Rice dan kini di Cornell University; Sadegh Yazdi, sekali di masa lalu Rice dan pada masa kini di University of Colorado Boulder; dan pencipta bersama Donald MacFarland, sekali TU Wien dan kini di Universiti di Buffalo.