接近絕對零度時，熱力學漲落幾乎消失了，而量子漲落被觀察到！

2020-10-18 博科園

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。

  • （博科園圖示）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。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。

博科園｜研究/來自：FAPESP

參考期刊《美國國家科學院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1908101116

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