接近絕對零度時,熱力學漲落幾乎消失了,量子漲落被觀察到!

2021-02-08 天文物理

常見相變是那些作為溫度變化的函數而發生的相變，例如冰在0攝氏度時開始轉變為液態水，液態水在100攝氏度時轉變為水蒸氣。同樣，磁性材料在臨界溫度下變得非磁性，然而也有不依賴於溫度的相變，它們發生在絕對零度（-273.15攝氏度）附近，並與量子漲落有關。一項研究涉及極端條件下的實驗，特別是超低溫和強磁場，並伴隨著對實驗結果的理論解釋，探索了這種類型的情況，並研究了在極不尋常的轉變中表現出量子臨界點。

義大利研究員瓦倫蒂娜·馬爾泰利(Valentina Martelli)和秘魯教授胡裡奧·拉雷拉(Julio Larrea)都是巴西聖保羅大學物理研究所(IF-USP)的教授都參與了這項研究，其研究成果發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。實驗部分由Silke Paschen教授領導，在奧地利維也納科技大學(TUW)的實驗室進行。這項理論工作是由美國萊斯大學物理學和天文學教授斯奇妙領導的一個小組完成。

研究發現並解釋了與近藤效應雙重擊穿相關兩個連續量子臨界點的證據。近藤效應以日本物理學家近藤俊(1930年出生)命名，解釋了以稀土元素為基礎的金屬化合物中重費米子的形成。在這些化合物中，電子由於它們的強相關性而集體行為，形成單重態(表現為單個粒子的不同粒子集合)，這可以表示為稀土離子的局域磁矩與其周圍傳導電子的耦合，這種準粒子的質量可以達到自由電子質量的數千倍。

在這裡描述的研究中，單重態在兩個磁序中被打破了兩次：一個偶極，由準粒子的磁矩產生，另一個四極，由其電子軌道之間的相互作用產生。實驗用重費米子Ce3Pd20Si6進行，它是鈰(Ce)，鈀(Pd)和矽(Si)的化合物。Larrea將在聖保羅研究基金會的支持下，通過「極端條件下拓撲和奇異量子態的研究」項目繼續研究。

這些轉變的起點是電子和某些材料之間的強相關性，這使我們能夠理解這種狀態變化。各種集體相互作用可以影響電子，一種可能的狀態是通常所說的「奇怪的金屬」。在重費米子中，電子傳輸類似於普通金屬的電子傳輸，但電子是強相關的，集體行為就好像它們形成了一個單一的準粒子來傳輸電荷。這不是在量子相變中發生的，所以這種狀態被稱為「奇怪」。在實驗中觀察到的是，電阻等物理性質的表現與金屬中的經典電子傳輸有很大不同。

（圖示）相圖顯示了兩個量子臨界點，QCP1和QCP2，在這兩個點上，偶極和四極磁序分別破裂。垂直軸上的量T是以開爾文為單位的絕對溫度；水平軸上的量B是以特斯拉為單位的磁場。圖片：PNAS

這種現象發生在極低的溫度下，非常接近絕對零度，當溫度降到這麼低時，熱力學漲落幾乎消失了，而量子漲落被觀察到，構成了電子之間發生相互作用的「介質」。在研究發表之前，大多數此類實驗都集中在電子相關性導致所謂的同時巡迴和局域電子磁性材料上。這些材料屬於稀土類，包括重費米子：「費米子」是因為電子具有分形自旋並服從費米-迪拉克統計；

「重」是因為它們與具有大有效質量的準粒子相關。這些材料也有磁矩，所以除了帶電荷的準粒子外，還與具有被傳導電子屏蔽或磁矩屏蔽的準粒子有關。每個磁矩屏蔽可以耦合到晶格中的相鄰磁矩，在整個材料中產生磁序。在Ce3Pd20Si6的情況下，這個順序是反鐵磁性的，這意味著晶格中的磁矩以反平行方式耦合。在量子臨界點，這種磁序可以在不受熱力學控制參數影響的情況下通過施加磁場來抑制,近藤單線態分解，耦合到這個磁性秩序的電子簡單地分離。

這與量子力學的基本原理並不矛盾，但它與基礎物理教科書中描述的非常不同。因為磁矩是相對於自旋定義的，所以對磁序的抑制產生了一種電子似乎缺少自旋的情況。這個基於磁序的量子臨界點之前已經在其他研究中發表過。本研究情況的不同之處在於，除了偶極磁序之外，材料還表現出由電子軌道產生的四極磁序。相圖幾乎是研究的圖形總結，因此顯示了兩個量子臨界點：一個是偶極序被破壞的，另一個是四極序被打破的。

除了這一發現，研究結果也很重要，因為有助於理解其他尚未解決的問題，例如電子是如何集體組織來產生超導的。某些電子之間具有強相關性的材料可以提供這一點，即使在與絕對零度不同的溫度下，這些強相關性也可以被抑制，以有利於形成具有可測量物理性質的新態。下一步研究將是使用一種不同的控制參數（壓力）來擴展對電子相關性變化的研究，以便將來可以在量子計算等領域利用這些知識進行技術上的應用。

參考期刊《美國國家科學院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1908101116

博科園｜科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學

交流、探討、學習、科學圈

請下載我們手機軟體：博科園

①回復「天象預報」可以看日食、月食、流星雨、行星衝日、凌日、掩星及未來100年天象等各種預報數據，有趣天文奇觀及時更新；②回復「每日一天文圖」可以看NASA鏡像譯製更新的每天一張天文照片，美國宇航局各種如哈勃望遠鏡等拍攝的高清大美宇宙天文照片；③回復「科研日報」可以看每日全球權威科研信息及研究論文，如《natural》《science》期刊等，還有「博科園」中文編譯的科研日報；

如下博科園全新版本

手機APP軟體發現頁截圖

用電腦的夥伴，也可以來官網：

www.bokeyuan.net

一起追逐大美宇宙科學

老版本不在更新和維護，請及時卸載，下載全新版本！新版本暫還未上架應用商店，目前暫時只能在，博科園QQ群文件下載，也可在博科園官網下載

相關焦點

  • 接近絕對零度的死寂,卻是探索量子計算的秘境|經典回顧
    熱力學第三定律給出一個「絕對零度」：-273.15攝氏度（0K），在這個溫度下，系統的熵達到一個定值——零。好，我們就要這個溫度！我們為什麼要關注極低溫下的世界呢？事實上，我們的宇宙從一開始就在不斷的冷卻，直到今天只有約2.7K的溫度。隨著時間推移，宇宙會進一步冷卻直至絕對零度，歸於死寂。
  • 超導體中量子臨界點附近的量子漲落新證據
    正如黑洞是空間中的奇點，量子臨界點是量子材料不同狀態間的點狀交叉點。在這裡，有可能出現各種奇異的電子行為。 量子臨界點（QCP）是量子材料不同狀態間的點狀交叉點。
  • 為什麼不能達到絕對零度?
    在熱力學理論之中，絕對零度是一個下限值，此時會停止所有熱運動，絕對零度為零下273.15攝氏度，在量子力學之中，當粒子動能達到最低點時，便可達到絕對零度。根據麥克斯韋-玻爾茲曼分布，粒子動能越大，物質溫度就越高。
  • 第一次,在人體大小的物體上測得量子漲落
    | 圖片來源：Derek Leinweber根據不確定性原理，我們無法同時絕對精確地測量一對物理量（比如粒子的位置和速度），這限制了我們以更高精度測量微小的力和位移。在一項新研究中，來自麻省理工學院的科研團隊首次測量了量子漲落對人類尺度物體的影響，得到了突破量子極限的微小位移測量。
  • 量子物理定律在時間上是可逆的!可以違反熱力學第二定律?
    當兩個量子諧振子(綠色)在不同的溫度下耦合到兩個熱浴時，得到的靜止狀態的說明。在這種情況下，熱量會從高溫熱源流向低溫熱源，表現出不可逆的行為。之所以選擇本研究中描述的實驗，是因為它們在概念上類似於這種簡化情況。
  • 計算發現,是量子漲落維持了創紀錄的高溫超導體的晶體結構
    另一方面，在底部，我們看到了一個完全重塑的，更簡單的量子能量態勢的草圖，其中只有一個最小值得以保留。圖片：材料物理中心來自西班牙、義大利、法國、德國和日本的國際研究人員團隊進行的計算表明，有記錄的超導十氫化鑭（LaH10）化合物的晶體結構因原子的量子漲落而穩定。
  • 在1947年,量子漲落就已通過實驗驗證了
    圖註：在亞原子級，粒子不僅彼此相互作用，而且還與空間固有的量子場相互作用，這既是由於帶電源的存在，也是由於（否則）空空間本身的量子真空。真實、實驗和觀察的世界，充滿數量和屬性，我們可以通過足夠的設置進行高精度測量。
  • 當熱力學悖論化身為量子熱機
    在所有物理學定律中，只有熱力學第二定律能夠幫助我們區分過去與未來，這「時間之箭」究竟緣何而生？量子尺度上的隨機漲落，是否打破了時間流逝的方向？當熵的概念揭示了信息與熱量的聯繫，是否可以藉助信息流來驅動熱機？
  • 霍金說它接近絕對零度
    基本上，每個人第一次接觸到溫度這個概念的時候是他發燒的時候。在以前，我們會拿著一根水銀或者酒精的溫度計測量自己的體溫。這是通過熱傳遞的方法來把熱量傳遞到溫度計上，然後液體受熱膨脹到一定高度，我們就可以依此來讀出自己的體溫了。到了現代，我們已經有了非接觸測量溫度的方法了。根據黑體輻射定律，絕對零度以上的物體都會產生熱輻射，且輻射的波長與溫度有關。
  • 為什麼絕對零度無法達到?
    可以無限接近，但達不到絕對零度。這是熱力學第三定律的體現。熱力學第三定律(the third law of thermodynamics)是對熵的論述，一般當封閉系統達到穩定平衡時，熵應該為最大值，在任何自發過程中，熵總是增加，在絕熱可逆過程中，熵增等於零。
  • 絕對零度-273.15℃有多可怕?光都能被凍結
    絕對零度是一種粒子動能低到量子力學的最低點時，分子幾乎不做運動。此時，物質呈現的不是我們常見的液態、固態和氣態，它們會聚成唯一的超原子，如果可以看到看起來就像是一個單一的實體。粒子不能完全靜止，絕對零度也就無法達到。在量子力學看來，所有的粒子狀態都是不確定的，它的能量和動量都是不確定。如果粒子絕對靜止，那麼量子力學的理論就不再適用，一切都是動量和能量都變得可測，然而這是不可能的。
  • 絕對零度和＂熱寂＂
    當粒子完全靜止，熱運動完全停下來之時，溫度將會下降到最低值，這就是絕對零度。不過，無論從相對論的角度，還是從量子力學的角度，粒子都不可能完全靜止，所以絕對零度是無法達到的溫度下限。在相對論看來，絕對靜止是不存在的，因為沒有絕對空間，靜止都是相對而言的。而在量子力學看來，如果粒子絕對靜止，那它們的位置和動量就能同時確定下來，這就違背了不確定性原理——無法同時測得粒子的位置和動量。
  • 進展 幾何阻挫導致的量子電偶極液態
    在溫度趨近於絕對零度時，經典的熱力學漲落已被完全抑制，而量子漲落開始佔據主導地位。此時，量子力學原理和幾何阻挫的結合可以在固體中產生一些奇異的量子液態。1973年，P. W. Anderson （1977年諾貝爾物理學獎獲得者）首先在理論上指出，在三角晶格上反鐵磁相互作用的阻挫自旋系統可以存在量子自旋液態（quantum spin liquid）。
  • 「絕對零度」是什麼?有一星雲正在接近,時間與空間可能會消失!
    目前科學家已知的最高溫度是138億年前宇宙大爆炸時產生的，大約是1.41億攝氏度。在這場爆炸之後，時至今日，科學家也未找到可以與其相媲美的溫度，這一溫度被科學家們稱為普朗克溫度，既然沒有上限，是不是也沒有下限呢？其實不是這樣的，溫度的下限是絕對零度，也就是零下273.15攝氏度，那麼絕對零度是如何推算出來的呢？如果溫度達到了絕對零度會變成什麼樣子呢？
  • 高溫超導量子相變領域取得重大研究進展!電子科技大學在《Science...
    Valles Jr 教授、Jimmy Xu教授等合作首次在高溫超導納米多孔薄膜中完全證實了量子金屬態的存在。通過調節反應離子刻蝕的時間，在高溫超導釔鋇銅氧（YBCO）多孔薄膜中實現了超導—量子金屬—絕緣體相變。通過極低溫輸運測試發現，超導、金屬與絕緣這三個量子態都有與庫珀電子對相關的h/2e周期的超導量子磁導振蕩，證明量子金屬態是玻色金屬態，揭示出庫珀對玻色子對於量子金屬態的形成起到了主導作用。
  • 巡遊電子量子臨界行為研究取得進展
    研究人員通過將無相互作用的費米面與各種玻色子臨界漲落耦合起來，成功設計出伊辛向列相、電荷密度波、鐵磁和反鐵磁自旋密度波以及Z2或者U(1)規範場等臨界漲落與費米子耦合的模型，並且繞過了量子多體系統蒙特卡洛模擬中常見的符號問題，為定量研究眾多巡遊量子臨界系統打開了數值的可能性。
  • 首次實驗證明:Weyl費米子存在於,慢磁漲落的順磁性體中!
    Weyl費米子的特點是：Weyl費米子以一種有序的方式在材料中移動，幾乎不讓它們相互碰撞，因此非常節能。這為未來的電子產品開闢了有趣的可能性。到目前為止，Weyl費米子只在某些非磁性材料中被發現。然而現在，保羅舍勒研究所（PSI）的科學家們第一次在實驗中證明了Weyl費米子存在於另一種物質中：一種具有固有慢磁漲落的順磁性體，這一發現還表明，利用小磁場操縱Weyl費米子是有可能的，這可能使它們在自旋電子學中得到應用，這是一項很有前景的電子新計算機技術發展，其研究成果2019年7月12日發表在《科學進展》上。
  • -273.15℃的絕對零度,到底可怕在哪?時間與空間都被凍結
    /(摩爾·開),即J/（mol·K）當氣溫無限接近0K，也就是-273.15攝氏度時，此時氣體的體積也變得無限趨近於0這時候溫度就沒有辦法再繼續降低了。當溫度越高，微觀粒子的動能就越大，當粒子的動能變為0的時候，就達到了絕對零度。但是不確定性原理告訴我們，這違反了量子力學的基礎。當然，以上的兩種推論都是一種基於數學上的理想推理，在真實的物質世界中，是不可能發生的，也可能通過實驗來驗證。不管如何，到這裡，大家對絕對零度肯定有了一個基礎的了解。