量子躍遷使電子表現(xiàn)得像缺乏自旋

常見的相變是隨溫度變化而發(fā)生的相變。冰在0攝氏度時轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水。液態(tài)水會在100攝氏度下發(fā)生相變而變成水蒸氣。類似地，磁性材料在臨界溫度下變?yōu)榉谴判浴５?，也存在不依賴于溫度的相變。它們出現(xiàn)在絕對零[-273.15攝氏度]附近，并與量子漲落相關(guān)。

一項涉及極端條件下的實(shí)驗(yàn)的研究，尤其是在超低溫和強(qiáng)磁場下，并伴隨對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論解釋，探索了這種情況，并研究了在非常不尋常的轉(zhuǎn)變中表現(xiàn)出的量子臨界點(diǎn)。

意大利研究人員瓦倫蒂娜馬爾泰利和秘魯胡利奧·拉雷亞，兩位教授在圣保羅大學(xué)物理研究所(IF-USP)在巴西，參與了這項研究，這是發(fā)表在國家科學(xué)學(xué)院院刊 (PNAS)。

由Silke Paschen教授領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)部分是在奧地利維也納科技大學(xué)(TUW)的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。該理論工作是由美國賴斯大學(xué)物理與天文學(xué)教授齊苗斯(Qimiao Si)領(lǐng)導(dǎo)的小組完成的。

拉雷亞說：“我們發(fā)現(xiàn)并解釋了兩個連續(xù)的量子臨界點(diǎn)的證據(jù)，這些臨界點(diǎn)與近藤效應(yīng)的雙重破壞有關(guān)。”

Kondo效應(yīng)以日本物理學(xué)家Jun Kondo(生于1930年)的名字命名，可以解釋基于稀土元素的金屬化合物中重鐵原子的形成。在這些化合物中，電子由于具有很強(qiáng)的相關(guān)性而共同發(fā)揮作用，形成單峰(表現(xiàn)為單個粒子的不同粒子的集合)，可以表示為稀土離子的局部磁矩與周圍的傳導(dǎo)電子。這種準(zhǔn)粒子的質(zhì)量可以達(dá)到自由電子質(zhì)量的數(shù)千倍。

在此處描述的研究中，單重態(tài)按兩個磁性順序斷裂了兩次：一個是由準(zhǔn)粒子的磁矩產(chǎn)生的雙極，另一個是由其電子軌道之間的相互作用產(chǎn)生的四極。

該實(shí)驗(yàn)是使用重鐵離子Ce3Pd20Si6，鈰(Ce)，鈀(Pd)和硅(Si)的化合物進(jìn)行的。Larrea將在“圣保羅研究基金會”的“ 極端條件下的拓?fù)浜屯鈦砹孔討B(tài)研究”項目的支持下繼續(xù)進(jìn)行這項研究。

相圖顯示了兩個量子臨界點(diǎn)QCP1和QCP2，在該臨界點(diǎn)處，偶極和四極磁階分別發(fā)生了分解。縱軸上的數(shù)量T是絕對溫度，以開爾文為單位;水平軸上的B量是特斯拉中的磁場。信用：PNAS

拉雷亞說：“這些轉(zhuǎn)變的起點(diǎn)是電子與某些材料之間的強(qiáng)相關(guān)性，這使我們能夠了解這種狀態(tài)變化。”

“各種各樣的集體相互作用會影響電子。一種可能的狀態(tài)是我們所謂的'奇怪金屬'。” 在重費(fèi)米子中，電子的傳輸與普通金屬類似，但是電子具有很強(qiáng)的相關(guān)性，并且表現(xiàn)出共同的行為，就像它們形成單個準(zhǔn)粒子一樣，可以傳輸電荷。這不是在量子相變中發(fā)生的事情，因此將該狀態(tài)稱為“奇怪”。我們通過實(shí)驗(yàn)觀察到的是，諸如電阻之類的物理特性與金屬中的經(jīng)典電子傳輸行為完全不同。”

該現(xiàn)象發(fā)生在非常接近絕對零的極低溫度下。當(dāng)溫度下降到這種低水平時，熱力學(xué)波動實(shí)際上消失了，觀察到了量子波動，構(gòu)成了其中電子之間發(fā)生相互作用的“介質(zhì)”。

“直到我們的研究發(fā)表之前，大多數(shù)這類實(shí)驗(yàn)都集中在電子相關(guān)導(dǎo)致同時發(fā)生迭代和局部電子磁性的材料上。這些材料屬于稀土族，包括重費(fèi)米子：'費(fèi)米子拉雷亞說：“因?yàn)殡娮泳哂蟹謹(jǐn)?shù)自旋并服從費(fèi)米-狄拉克的統(tǒng)計，所以“重”是因?yàn)樗鼈兣c具有大有效質(zhì)量的準(zhǔn)粒子相關(guān)。

“這些材料還具有磁矩，因此，除了帶有電荷的準(zhǔn)粒子外，它們還與具有被導(dǎo)電電子屏蔽或屏蔽的磁矩的準(zhǔn)粒子相關(guān)。每個屏蔽的磁矩都可以耦合到在Ce3Pd20Si6的情況下，該順序是反鐵磁性的，這意味著晶格中的磁矩以反平行的方式耦合。在達(dá)到量子臨界點(diǎn)時，可以通過施加磁場來抑制該磁階，而不受熱力學(xué)控制參數(shù)的影響。近藤單線態(tài)擊穿，與該磁階耦合的電子簡單分離。”

這與量子力學(xué)的基本原理沒有矛盾，但是與基本物理學(xué)教科書中所描述的完全不同。因?yàn)榇啪厥窍鄬τ谧孕x的，所以抑制磁階會導(dǎo)致電子看上去缺乏自旋的情況。

拉雷亞說：“基于磁階的量子臨界點(diǎn)先前已經(jīng)在其他文章中報道過。” “在我們的案例中，不同之處在于，除了偶極磁階以外，材料還表現(xiàn)出由電子軌道產(chǎn)生的四極磁階。我們的相圖幾乎是研究的圖形總結(jié)，因此顯示了兩個量子臨界點(diǎn)：一種是偶極順序被破壞，另一種是四極順序被破壞。”

據(jù)拉雷亞介紹，除了這一發(fā)現(xiàn)之外，這項研究的結(jié)果也很重要，因?yàn)樗鼈冇兄诶斫馄渌唇鉀Q的問題，例如電子如何集體組織以產(chǎn)生超導(dǎo)性。他說：“需要集體命令才能進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)輸。” “某些在電子之間具有很強(qiáng)相關(guān)性的材料可以提供這一點(diǎn)。我們現(xiàn)在知道，即使在溫度不同于絕對零的情況下，也可以抑制這些強(qiáng)相關(guān)性，從而有利于形成具有可測量物理性質(zhì)的新狀態(tài)。”

下一步是使用不同的控制參數(shù)(壓力)來擴(kuò)展對電子相關(guān)性變化的研究，以便將來有可能在諸如量子計算等領(lǐng)域?qū)@種知識進(jìn)行技術(shù)利用。