В физике кот Шредингера является аллегорией двух самых впечатляющих эффектов квантовой механики: запутанности и суперпозиции. Исследователи из Дрездена и Мюнхена теперь наблюдали это поведение в гораздо большем масштабе, чем у мельчайших частиц. До сих пор было известно, что материалы, проявляющие такие свойства, как, например, магнетизм, имеют так называемые домены - островки, в которых свойства материалов однородны либо одного, либо другого вида (представьте, что они либо черные или белый, например). Глядя на фторид гольмия лития (LiHoF₄), физики теперь обнаружили совершенно новый фазовый переход, при котором домены неожиданно проявляют квантово-механические свойства, в результате чего их свойства становятся запутанными (будучи одновременно черными и белыми). "У нашей квантовой кошки теперь новый мех, потому что мы обнаружили новый квантовый фазовый переход в Лихофе₄ о существовании которого ранее не было известно", - комментирует Маттиас Войта, заведующий кафедрой теоретической физики твердого тела в TUD.

Фазовые переходы и запутанность

Мы можем легко наблюдать самопроизвольно меняющиеся свойства вещества, если посмотрим на воду: при 100 градусах Цельсия она испаряется, превращаясь в газ, при нулевых градусах Цельсия она замерзает, превращаясь в лед. В обоих случаях эти новые состояния вещества формируются в результате фазового перехода, при котором молекулы воды перестраиваются, тем самым изменяя характеристики вещества. Такие свойства, как магнетизм или сверхпроводимость, возникают в результате того, что электроны претерпевают фазовые переходы в кристаллах. Для фазовых переходов при температурах, приближающихся к абсолютному нулю при -273,15 градусах Цельсия, вступают в игру квантово-механические эффекты, такие как запутанность, и говорят о квантовых фазовых переходах. "Несмотря на то, что существует более 30 лет обширных исследований, посвященных фазовым переходам в квантовых материалах, ранее мы предполагали, что явление запутывания играет роль только в микроскопическом масштабе, где оно затрагивает всего несколько атомов одновременно," объясняет Кристиан Пфлайдерер, профессор топологии коррелированных систем в TUM.

Квантовая запутанность - одно из самых удивительных явлений физики, когда запутанные квантовые частицы существуют в общем состоянии суперпозиции, что позволяет обычно взаимоисключающим свойствам (например, черному и белому) проявляться одновременно. Как правило, законы квантовой механики применимы только к микроскопическим частицам. Исследовательским группам из Мюнхена и Дрездена теперь удалось наблюдать эффекты квантовой запутанности в гораздо большем масштабе, в тысячах атомов. Для этого они решили работать с хорошо известным составом LiHoF₄.

Сферические образцы позволяют проводить точные измерения

При очень низких температурах, LiHoF₄ действует как ферромагнетик, где все магнитные моменты самопроизвольно направлены в одном направлении. Если затем вы приложите магнитное поле точно вертикально к предпочтительному магнитному направлению, магнитные моменты изменят направление, которое известно как флуктуации. Чем выше напряженность магнитного поля, тем сильнее становятся эти флуктуации, пока, в конце концов, ферромагнетизм полностью не исчезнет при квантовом фазовом переходе. Это приводит к запутыванию соседних магнитных моментов. "Если ты задержишь лихоимца₄ образец к очень сильному магниту, он внезапно перестает быть самопроизвольно магнитным. Это известно уже 25 лет", - резюмирует Войта.

Что нового, так это то, что происходит, когда вы меняете направление магнитного поля. "Мы обнаружили, что квантовый фазовый переход продолжает происходить, тогда как ранее считалось, что даже малейший наклон магнитного поля немедленно подавит его", - объясняет Пфлайдерер. Однако в этих условиях квантовым фазовым переходам подвергаются не отдельные магнитные моменты, а скорее обширные магнитные области, так называемые ферромагнитные домены. Домены представляют собой целые острова магнитных моментов, направленных в одном направлении. "Мы использовали сферические образцы для наших прецизионных измерений. Именно это позволило нам точно изучить поведение при небольших изменениях направления магнитного поля", - добавляет Андреас Вендл, который проводил эксперименты в рамках своей докторской диссертации.

От фундаментальной физики к приложениям

"Мы обнаружили совершенно новый тип квантовых фазовых переходов, при которых запутывание происходит в масштабе многих тысяч атомов, а не только в микромире лишь нескольких", - объясняет Войта. "Если вы представите магнитные домены в виде черно-белого рисунка, новый фазовый переход приведет к тому, что либо белые, либо черные области станут бесконечно малыми, то есть создадут квантовый рисунок, либо полностью растворятся". Недавно разработанная теоретическая модель успешно объясняет данные, полученные в результате экспериментов. "Для нашего анализа мы обобщили существующие микроскопические модели, а также приняли во внимание обратную связь больших ферромагнитных доменов с микроскопическими свойствами", - уточняет Хайке Айзенлор, которая выполнила расчеты в рамках своей докторской диссертации.

Открытие новых квантовых фазовых переходов важно как основа и общая система отсчета для исследования квантовых явлений в материалах, а также для новых применений. "Квантовая запутанность применяется и используется, среди прочего, в таких технологиях, как квантовые датчики и квантовые компьютеры", - говорит Войта. Пфлайдерер добавляет: "Наша работа находится в области фундаментальных исследований, которые, однако, могут оказать прямое влияние на разработку практических приложений, если вы используете свойства материалов контролируемым образом".

Исследование было финансово поддержано Стратегией передового опыта Федерального правительства Германии и правительств штатов в рамках Вюрцбургско-Дрезденского кластера передового опыта в области сложности и топологии в квантовой материи (ct.qmat) и Мюнхенского центра передового опыта в области квантовой науки и технологий (MCQST). Кроме того, работа была поддержана Европейским исследовательским советом (ERC) через расширенный грант ExQuiSid и Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) в рамках Совместных исследовательских центров (SFB) 1143 и TRR80.