熵景觀揭示了量子之謎

通過精確測(cè)量鈰銅金合金的熵，其折流電子特性降至接近絕對(duì)零度，德國和的物理學(xué)家已經(jīng)收集到關(guān)于高溫超導(dǎo)性和類似現(xiàn)象的可能原因的新證據(jù)。

“這一演示為更好地理解當(dāng)某些材料冷卻到量子臨界點(diǎn)時(shí)如何帶來高溫超導(dǎo)等新行為提供了基礎(chǔ)，”萊斯大學(xué)物理學(xué)家齊淼斯說，他是一項(xiàng)關(guān)于該研究的新研究的合著者。在本周的自然物理學(xué)研究。

實(shí)驗(yàn)研究由德國卡爾斯魯厄卡爾斯魯厄理工學(xué)院的HilbertvonLöhneysen領(lǐng)導(dǎo)。Löhneysen的團(tuán)隊(duì)，包括研究主要作者Kai Grube，花了一年時(shí)間對(duì)鈰銅和金制成的化合物進(jìn)行了數(shù)十次實(shí)驗(yàn)。通過研究應(yīng)力或在特定方向施加的壓力的影響，以及通過使材料非常冷，該團(tuán)隊(duì)巧妙地改變了結(jié)晶金屬化合物中原子之間的間距，從而改變了它們的電子特性。

鈰銅金合金是“重質(zhì)費(fèi)米子”，是幾種類型的量子材料中的一種，當(dāng)非常冷時(shí)表現(xiàn)出奇特的電子特性。其中最著名的是高溫超導(dǎo)體，因其在遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)超導(dǎo)體的溫度下以零電阻傳導(dǎo)電流的能力而得名。重費(fèi)米子表現(xiàn)出不同的怪異性：它們的電子質(zhì)量實(shí)際上是正常質(zhì)量的數(shù)百倍，同樣不尋常的是，有效電子質(zhì)量似乎隨著溫度的變化而變化很大。

這些奇怪的行為違背了傳統(tǒng)的物理理論。它們也發(fā)生在非常寒冷的溫度下，當(dāng)材料被調(diào)諧到“量子相變”時(shí) - 即從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的變化，如冰融化。2001年，Si及其同事提出了一個(gè)新的理論：在量子臨界點(diǎn)，電子在兩個(gè)完全不同的量子態(tài)之間波動(dòng)，以至于它們的有效質(zhì)量變得無限大。該理論在接近量子臨界點(diǎn)時(shí)預(yù)測(cè)了某些跡象，并且過去16年來，Si與實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家合作，積累證據(jù)支持該理論。

“液態(tài)水和冰是H2O存在的兩種經(jīng)典狀態(tài)，” 量子材料米中心主任Si說。“冰是一個(gè)非常有序的階段，因?yàn)镠2O分子整齊地排列在晶格中。與冰相比，水的有序性較低，但流動(dòng)的水分子仍然具有潛在的順序。關(guān)鍵點(diǎn)在于這兩種類型的訂單之間的波動(dòng)。這是H2O分子想要根據(jù)冰進(jìn)入模式并且想要根據(jù)水進(jìn)入模式的點(diǎn)。

“它在量子相變過程中非常相似，”他說。“盡管這種轉(zhuǎn)變是由量子力學(xué)驅(qū)動(dòng)的，但它仍然是兩個(gè)有序狀態(tài)之間存在最大波動(dòng)的關(guān)鍵點(diǎn)。在這種情況下，波動(dòng)與材料中“電子自旋”的排序有關(guān)。“

旋轉(zhuǎn)是一種固有的屬性 - 就像眼睛的顏色 - 每個(gè)電子的旋轉(zhuǎn)被分類為“向上”或“向下”。在磁鐵中，如鐵，旋轉(zhuǎn)在同一方向上對(duì)齊。但是許多材料表現(xiàn)出相反的行為：它們的旋轉(zhuǎn)以物理學(xué)家稱之為“反鐵磁性”的重復(fù)上，下，上，下模式交替出現(xiàn)。

對(duì)重質(zhì)費(fèi)米子，高溫超導(dǎo)體和其他量子材料的數(shù)百次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，量子臨界點(diǎn)兩側(cè)的磁性順序不同。通常，實(shí)驗(yàn)在一個(gè)化學(xué)成分范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)反鐵磁有序，在臨界點(diǎn)的另一側(cè)發(fā)現(xiàn)新的有序狀態(tài)。

“一個(gè)合理的圖片是你可以有一個(gè)反鐵磁的自旋順序，旋轉(zhuǎn)是非常有序的，你可以有另一種狀態(tài)，其中旋轉(zhuǎn)不那么有序，”Si，Rice的Harry C.和Olga K. Wiess教授說。物理學(xué)和天文學(xué)。“關(guān)鍵點(diǎn)在于這兩個(gè)之間的波動(dòng)最大。”

鈰銅金化合物已成為用于量子臨界的原型重質(zhì)費(fèi)米子材料，主要?dú)w功于馮·洛尼森集團(tuán)的工作。

“在2000年，我們?cè)诹孔优R界鈰銅金系統(tǒng)中進(jìn)行了非彈性中子散射實(shí)驗(yàn)，”vonLöhneysen說。“我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常不尋常的時(shí)空特征，無法用金屬的標(biāo)準(zhǔn)理論來理解它。”

Si說這項(xiàng)研究是刺激他和他的合著者提供2001年理論的重要因素之一，這有助于解釋馮洛尼森令人費(fèi)解的結(jié)果。在隨后的研究中，Si及其同事還預(yù)測(cè)，熵 - 一種經(jīng)典的熱力學(xué)性質(zhì) - 會(huì)隨著量子臨界點(diǎn)附近的量子漲落而增加。Si表示，鈰銅金的良好記錄性質(zhì)為測(cè)試該理論提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。

在鈰銅六中，用少量的金取代銅可以讓研究人員略微增加原子之間的間距。在臨界組合物中，合金經(jīng)歷反鐵磁量子相變。通過研究這種成分并在不同的應(yīng)力條件下多次測(cè)量熵，卡爾斯魯厄團(tuán)隊(duì)能夠創(chuàng)建一個(gè)三維圖，顯示當(dāng)系統(tǒng)接近量子臨界點(diǎn)時(shí)，非常低但有限溫度下的熵如何穩(wěn)定地增加。

不存在熵的直接測(cè)量，但是熵變化與應(yīng)力的比率與可以測(cè)量的另一個(gè)比率成正比：樣品由于溫度變化而膨脹或收縮的量。為了能夠在極低的溫度下進(jìn)行測(cè)量，卡爾斯魯厄團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種精確測(cè)量長(zhǎng)度變化小于十分之一萬億分之一的方法 - 大約是單個(gè)原子半徑的千分之一。

卡爾斯魯厄理工學(xué)院的高級(jí)研究員格魯伯說：“我們測(cè)量的熵是沿著所有不同主方向施加的應(yīng)力的函數(shù)。” “我們?cè)诙嗑S參數(shù)空間中制作了詳細(xì)的熵景觀圖，并驗(yàn)證了量子臨界點(diǎn)位于熵山之上。”

VonLöhneysen表示，熱力學(xué)測(cè)量還為臨界點(diǎn)附近的量子漲落提供了新的見解。

“令人驚訝的是，這種方法允許我們重建這種量子臨界材料中量子臨界波動(dòng)的潛在空間分布，”他說。“這是第一次采用這種方法。”

Si說，令人驚訝的是，只需使用熵測(cè)量即可完成。

“非常值得注意的是，熵景觀可以很好地與從非彈性中子散射等微觀實(shí)驗(yàn)確定的量子臨界波動(dòng)的詳細(xì)剖面連接起來，尤其是當(dāng)它們最終提供支持該理論的直接證據(jù)時(shí)更是如此，”他說過。

Si說，更一般地說，在多維參數(shù)空間中量子臨界點(diǎn)上顯著的熵增強(qiáng)的證明，提出了電子 - 電子相互作用引起高溫超導(dǎo)的方式的新見解。

“減輕量子臨界點(diǎn)累積熵的一種方法是讓系統(tǒng)中的電子重新組織成新的相位，”他說。“隨之而來的可能階段是非常規(guī)超導(dǎo)，其中電子配對(duì)并形成連貫的宏觀量子態(tài)。”