熵景觀揭示了量子之謎

通過精確測量鈰銅金合金的熵，其折流電子特性降至接近絕對零度，德國和的物理學家已經(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某些材料冷卻到量子臨界點時如何帶來高溫超導(dǎo)等新行為提供了基礎(chǔ)，”萊斯大學物理學家齊淼斯說，他是一項關(guān)于該研究的新研究的合著者。在本周的自然物理學研究。

實驗研究由德國卡爾斯魯厄卡爾斯魯厄理工學院的HilbertvonLöhneysen領(lǐng)導(dǎo)。Löhneysen的團隊，包括研究主要作者Kai Grube，花了一年時間對鈰銅和金制成的化合物進行了數(shù)十次實驗。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，該團隊巧妙地改變了結(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)費米子”，是幾種類型的量子材料中的一種，當非常冷時表現(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。重費米子表現(xiàn)出不同的怪異性：它們的電子質(zhì)量實際上是正常質(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，當材料被調(diào)諧到“量子相變”時 - 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新的理論：在量子臨界點，電子在兩個完全不同的量子態(tài)之間波動，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時預(yù)測了某些跡象，并且過去16年來，Si與實驗物理學家合作，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。“冰是一個非常有序的階段，因為H2O分子整齊地排列在晶格中。與冰相比，水的有序性較低，但流動的水分子仍然具有潛在的順序。關(guān)鍵點在于這兩種類型的訂單之間的波動。這是H2O分子想要根據(jù)冰進入模式并且想要根據(jù)水進入模式的點。

“它在量子相變過程中非常相似，”他說。“盡管這種轉(zhuǎn)變是由量子力學驅(qū)動的，但它仍然是兩個有序狀態(tài)之間存在最大波動的關(guān)鍵點。在這種情況下，波動與材料中“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)以物理學家稱之為“反鐵磁性”的重復(fù)上，下，上，下模式交替出現(xiàn)。

對重質(zhì)費米子，高溫超導(dǎo)體和其他量子材料的數(shù)百次實驗發(fā)現(xiàn)，量子臨界點兩側(cè)的磁性順序不同。通常，實驗在一個化學成分范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)反鐵磁有序，在臨界點的另一側(cè)發(fā)現(xiàn)新的有序狀態(tài)。

“一個合理的圖片是你可以有一個反鐵磁的自旋順序，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。物理學和天文學。“關(guān)鍵點在于這兩個之間的波動最大。”

鈰銅金化合物已成為用于量子臨界的原型重質(zhì)費米子材料，主要歸功于馮·洛尼森集團的工作。

“在2000年，我們在量子臨界鈰銅金系統(tǒng)中進行了非彈性中子散射實驗，”vonLöhneysen說。“我們發(fā)現(xiàn)一個非常不尋常的時空特征，無法用金屬的標準理論來理解它。”

Si說這項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解的結(jié)果。在隨后的研究中，Si及其同事還預(yù)測，熵 - 一種經(jīng)典的熱力學性質(zhì) - 會隨著量子臨界點附近的量子漲落而增加。Si表示，鈰銅金的良好記錄性質(zhì)為測試該理論提供了獨特的機會。

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)力條件下多次測量熵，卡爾斯魯厄團隊能夠創(chuàng)建一個三維圖，顯示當系統(tǒng)接近量子臨界點時，非常低但有限溫度下的熵如何穩(wěn)定地增加。

不存在熵的直接測量，但是熵變化與應(yīng)力的比率與可以測量的另一個比率成正比：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行測量，卡爾斯魯厄團隊開發(fā)了一種精確測量長度變化小于十分之一萬億分之一的方法 - 大約是單個原子半徑的千分之一。

卡爾斯魯厄理工學院的高級研究員格魯伯說：“我們測量的熵是沿著所有不同主方向施加的應(yīng)力的函數(shù)。” “我們在多維參數(shù)空間中制作了詳細的熵景觀圖，并驗證了量子臨界點位于熵山之上。”

VonLöhneysen表示，熱力學測量還為臨界點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驗確定的量子臨界波動的詳細剖面連接起來，尤其是當它們最終提供支持該理論的直接證據(jù)時更是如此，”他說過。

Si說，更一般地說，在多維參數(shù)空間中量子臨界點上顯著的熵增強的證明，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)，其中電子配對并形成連貫的宏觀量子態(tài)。”