p Em um novo estudo, Físicos norte-americanos e austríacos observaram o emaranhamento quântico entre "bilhões de bilhões" de elétrons fluindo em um material crítico quântico. p A pesquisa, que aparece esta semana em Ciência , examinou o comportamento eletrônico e magnético de um composto de "metal estranho" de itérbio, ródio e silício à medida que se aproximava e passava por uma transição crítica na fronteira entre duas fases quânticas bem estudadas.

p O estudo da Rice University e da Vienna University of Technology (TU Wien) fornece a mais forte evidência direta até o momento do papel do emaranhamento em trazer a criticidade quântica, disse o co-autor do estudo Qimiao Si, da Rice.

p "Quando pensamos sobre emaranhamento quântico, pensamos em pequenas coisas, - disse Si. - Não o associamos a objetos macroscópicos. Mas em um ponto crítico quântico, as coisas são tão coletivas que temos a chance de ver os efeitos do emaranhamento, mesmo em um filme metálico que contém bilhões de bilhões de objetos da mecânica quântica. "

p Si, um físico teórico e diretor do Rice Center for Quantum Materials (RCQM), passou mais de duas décadas estudando o que acontece quando materiais como metais estranhos e supercondutores de alta temperatura mudam de fases quânticas. Uma melhor compreensão desses materiais pode abrir a porta para novas tecnologias de computação, comunicações e muito mais.

p A seleção internacional superou vários desafios para chegar ao resultado. Os pesquisadores da TU Wien desenvolveram uma técnica de síntese de materiais altamente complexa para produzir filmes ultrapuros contendo uma parte de itérbio para cada duas partes de ródio e silício (YbRh2Si2). Na temperatura de zero absoluto, o material passa por uma transição de uma fase quântica que forma uma ordem magnética para outra que não o faz.

p Na Rice, o co-autor do estudo, Xinwei Li, em seguida, um estudante de graduação no laboratório do co-autor e membro do RCQM Junichiro Kono, realizou experimentos de espectroscopia de terahertz nos filmes em temperaturas tão baixas quanto 1,4 Kelvin. As medições de terahertz revelaram a condutividade óptica dos filmes YbRh2Si2 à medida que eram resfriados a um ponto crítico quântico que marcou a transição de uma fase quântica para outra.

p "Com metais estranhos, há uma conexão incomum entre resistência elétrica e temperatura, "disse o autor correspondente Silke Bühler-Paschen do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien." Em contraste com metais simples como cobre ou ouro, isso não parece ser devido ao movimento térmico dos átomos, mas para flutuações quânticas na temperatura de zero absoluto. "

p Para medir a condutividade óptica, Li brilhou radiação eletromagnética coerente na faixa de frequência de terahertz no topo dos filmes e analisou a quantidade de raios de terahertz que passavam em função da frequência e da temperatura. Os experimentos revelaram "escala de frequência acima da temperatura, "um sinal revelador de criticidade quântica, disseram os autores.

p Kono, um engenheiro e físico na Brown School of Engineering de Rice, disse que as medições foram meticulosas para Li, que agora é pesquisador de pós-doutorado no California Institute of Technology. Por exemplo, apenas uma fração da radiação terahertz brilhou na amostra passada para o detector, e a medição importante era o quanto essa fração aumentava ou diminuía em diferentes temperaturas.

p "Menos de 0,1% da radiação terahertz total foi transmitida, e o sinal, que era a variação da condutividade em função da frequência, foi mais alguns por cento disso, "Kono disse." Demorou muitas horas para levar dados confiáveis ​​em cada temperatura para a média de muitos, muitas medidas, e foi necessário coletar dados em muitos, muitas temperaturas para comprovar a existência de escamação.

p "Xinwei era muito, muito paciente e persistente, "Kono disse." Além disso, ele processou cuidadosamente as enormes quantidades de dados que coletou para desdobrar a lei de escala, o que foi realmente fascinante para mim. "

p Fazer os filmes foi ainda mais desafiador. Para torná-los finos o suficiente para passar os raios terahertz, a equipe da TU Wien desenvolveu um sistema epitaxial de feixe molecular exclusivo e um elaborado procedimento de crescimento. Itérbio, o ródio e o silício foram evaporados simultaneamente de fontes separadas na proporção exata de 1-2-2. Por causa da alta energia necessária para evaporar o ródio e o silício, o sistema exigia uma câmara de vácuo ultra-alta feita sob medida com dois evaporadores de feixe de elétrons.

p "Nosso curinga era encontrar o substrato perfeito:germânio, "disse o estudante de graduação da TU Wien Lukas Prochaska, um co-autor principal do estudo. O germânio era transparente ao terahertz, e tinha "certas distâncias atômicas (que eram) praticamente idênticas àquelas entre os átomos de itérbio em YbRh2Si2, o que explica a excelente qualidade dos filmes, " ele disse.

p Si se lembrou de ter discutido o experimento com Bühler-Paschen há mais de 15 anos, quando eles estavam explorando os meios para testar uma nova classe de ponto crítico quântico. A marca registrada do ponto crítico quântico que eles estavam avançando com colegas de trabalho é que o emaranhamento quântico entre spins e cargas é crítico.

p "Em um ponto crítico quântico magnético, a sabedoria convencional dita que apenas o setor de spin será crítico, "disse ele." Mas se os setores de carga e spin estiverem emaranhados quânticos, o setor de cobrança também acabará sendo crítico. "

p No momento, a tecnologia não estava disponível para testar a hipótese, mas em 2016, a situação havia mudado. A TU Wien poderia desenvolver os filmes, Rice tinha instalado recentemente um microscópio poderoso que poderia digitalizá-los em busca de defeitos, e Kono tinha o espectrômetro terahertz para medir a condutividade óptica. Durante a visita sabática de Bühler-Paschen a Rice naquele ano, ela, Si, A especialista em microscopia de Kono e Rice, Emilie Ringe, recebeu apoio para prosseguir com o projeto por meio de um Prêmio de Excelência Interdisciplinar do programa Creative Ventures recém-criado de Rice.

p "Conceitualmente, foi realmente um experimento de sonho, "Si disse." Sondar o setor de carga no ponto crítico quântico magnético para ver se é crítico, se ele tem escala dinâmica. Se você não vê nada que seja coletivo, isso é escalar, o ponto crítico deve pertencer a algum tipo de descrição de livro didático. Mas, se você vê algo singular, o que de fato fizemos, então é uma evidência muito direta e nova para a natureza do emaranhamento quântico da criticidade quântica. "

p Si disse que todos os esforços feitos no estudo valeram a pena, porque as descobertas têm implicações de longo alcance.

p "O emaranhamento quântico é a base para o armazenamento e processamento de informações quânticas, "Si disse." Ao mesmo tempo, Acredita-se que a criticalidade quântica impulsiona a supercondutividade em alta temperatura. Portanto, nossas descobertas sugerem que a mesma física subjacente - criticidade quântica - pode levar a uma plataforma para informações quânticas e supercondutividade de alta temperatura. Quando se contempla essa possibilidade, não se pode deixar de maravilhar-se com as maravilhas da natureza. "

p Si é o professor Harry C. e Olga K. Wiess do Departamento de Física e Astronomia de Rice. Kono é professor nos departamentos de Engenharia Elétrica e de Computação de Rice, Física e Astronomia, e Ciência de Materiais e NanoEngenharia e o diretor do Programa de Pós-Graduação em Física Aplicada de Rice. Ringe está agora na Universidade de Cambridge. Outros co-autores incluem Maxwell Andrews, Maximilian Bonta, Werner Schrenk, Andreas Limbeck e Gottfried Strasser, todos os TU Wien; Hermann Detz, anteriormente da TU Wien e atualmente na Universidade de Brno; Elisabeth Bianco, ex-Rice e atualmente na Cornell University; Sadegh Yazdi, anteriormente de Rice e atualmente na University of Colorado Boulder; e o co-autor Donald MacFarland, anteriormente da TU Wien e atualmente na University at Buffalo.