В отличие от обычных металлов, таких как медь или золото, которые обладают хорошо изученными электрическими свойствами, странные металлы ведут себя гораздо более сложным образом, что делает их внутреннюю работу выходящей за рамки описания в учебниках. Под руководством Чимяо Си, Гарри К. и Ольги К. Профессор физики и астрономии Висс, исследовательская группа обратилась к квантовой информации Фишера (QFI), концепции квантовой метрологии, используемой для измерения того, как развиваются электронные взаимодействия в экстремальных условиях, чтобы найти ответы. Их исследование показывает, что запутанность электронов, фундаментальное квантовое явление, достигает максимума в квантовой критической точке: переходе между двумя состояниями материи.

"Наши результаты показывают, что странные металлы демонстрируют уникальную структуру переплетения, которая предлагает новый подход к пониманию их экзотического поведения", - сказал Си. "Используя квантовую теорию информации, мы раскрываем глубокие квантовые корреляции, которые ранее были недоступны".

Новый способ изучения странных металлов

В большинстве металлов электроны движутся упорядоченно, следуя хорошо установленным законам физики. Однако странные металлы нарушают эти правила, проявляя необычную устойчивость к электричеству и ведя себя необычным образом при очень низких температурах. Чтобы исследовать эту загадку, исследователи сосредоточились на теоретической модели, называемой решеткой Кондо, которая описывает, как магнитные моменты взаимодействуют с окружающими электронами.

В критической точке перехода эти взаимодействия становятся настолько интенсивными, что фундаментальные строительные блоки электрического поведения, известные как квазичастицы, исчезают. Используя QFI, исследователи проследили происхождение этой потери квазичастиц до того, как запутываются спины электронов, обнаружив, что запутанность достигает своего пика именно в этой квантовой критической точке.

Этот новый подход применяет QFI, в основном используемый для получения квантовой информации и прецизионных измерений, к изучению металлов.

"Интегрируя квантовую информатику с физикой конденсированных сред, мы развиваем новое направление в исследованиях материалов", - сказал Си.

Возможный путь к более эффективной энергетике

Теоретические расчеты исследователей неожиданно совпали с реальными экспериментальными данными, в частности, с результатами неупругого рассеяния нейтронов - метода, используемого для исследования материалов на атомном уровне. Эта связь подтверждает идею о том, что квантовая запутанность играет фундаментальную роль в поведении странных металлов.

Понимание странных металлов - это нечто большее, чем просто академическая задача; это может иметь значительные технологические преимущества. Эти материалы тесно связаны с высокотемпературными сверхпроводниками, которые обладают потенциалом для передачи электроэнергии без потерь энергии. Раскрытие их свойств могло бы произвести революцию в электросетях, сделав передачу энергии более эффективной.

Исследование также демонстрирует, как инструменты квантовой информации могут быть применены к другим экзотическим материалам. Странные металлы могли бы сыграть определенную роль в будущих квантовых технологиях, где усиленная запутанность является ценным ресурсом. Исследование обеспечивает новую основу для характеристики этих сложных материалов, показывая, когда запутанность достигает максимума.

В исследовательскую группу входили Юань Фан из Райс, Имин Ван, Муника Маханкали и Лэй Чен, а также Хаою Ху из Международного физического центра Доностии и Силке Пашен из Венского технологического университета. Их работа была поддержана Национальным научным фондом, Управлением научных исследований ВВС, фондом Роберта А. Уэлча и программой стипендий факультета Ванневара Буша.