破碎的晶體揭示了一個令人困惑的糾纏狀態

【博科園-科學科普】一項新的研究顯示，就像一對突然形成四重奏的旋轉舞者一樣，電子的磁性「旋轉」會被四組人纏繞在一起。

這個名為「plaquette singlet」的新量子態，解決了一個長期存在的關於量子力學的問題，即控制微小亞原子粒子行為的神秘定律。這項工作也可能會開啟一種新的電子方式，它超越了所有現代計算機中0和1的二進位邏輯。

在新的研究中瑞士洛桑聯邦理工學院的物理學家Mohamed Zayed和他的同事們拿了一塊鍶銅硼酸鹽，這是一種類似於高溫超導體的化合物，並把它置於高壓之下，冷卻到絕對零度以上。當他們加大壓力時，他們發現材料中的電子進入了前所未有的狀態，其中電子的磁自旋在四組中相互纏繞。這樣的狀態曾被預測過，但從未真正觀察過。

圖片版權：Natali art collections/Shutterstock

Zayed說：這種狀態的變化(稱為相位變化)是現代電子技術的基礎。例如半導體的工作是因為它們在特定的電壓下從絕緣體變成導體，使電路「開啟」和「關閉」。這種從「on」到「off」的切換能力創建了0和1，這構成了計算機計算核心的二進位邏輯。

（如果利用一個相變）一個絕緣體轉變為導體——導致了二進位計算機技術，掌握了所有其他可用相變的技術，可能會導致在這個階段很難想像出完全新穎的技術。

高壓現象

科學家已經知道鍶銅硼酸鹽在低壓下的表現。這些材料形成一個二維的晶格，所有的電子都像一組正方形的瓦片一樣排列著。每個電子都有一個「自旋」——人們可以把它們想像成微小的磁體，自旋描述為「向上」或「向下」(事實上自旋只是描述電子周圍磁場的一種數學方法，並不是一個旋轉的物體)。

電子行為受量子力學的約束，所以自旋只能有離散的值。此外量子力學粒子也會被糾纏在一起——一些性質可以被連接，這樣粒子就會像一個單一的單位一樣運動。在這種情況下一對電子的自旋被糾纏在一起。

當壓強上升時電子的排列稍微改變，因為電子之間的距離變化。EPFL團隊將鍶銅硼酸鹽的壓力達到每平方英寸80萬磅(55000個大氣壓)。在大約21500個大氣壓下，一些東西發生了變化:電子的自轉被四種而不是兩種的組合纏在一起，這種狀態被稱為plaquette singlet。

為了「看到」新的量子態，科學家們在實驗樣本中發射了中子;中子是零電荷，但它們有一個磁場，在它們撞擊鍶化合物後，中子的行為揭示了電子的糾纏態。

預測複雜的行為

雖然這特殊的量子態預測之前,沒有人相信這真的會發生,研究合作者Henrik R?nnow說,量子物理學家也EPFL。原因之一是數學很難做到;這是幾種可能性之一。

理論家們已經計算出一維情況下粒子的行為(想像一下直線上的電子)和一些二維的情況。但是多粒子2D系統變得更加複雜。

兩個粒子很容易處理,R?nnow告訴生活科學。但是對超過兩個粒子進行同樣的計算是很困難的。當達到20或30個粒子時，即使是最好的計算機也會失去動力。

一種叫做shastry - sutherland模型的理論預測了鍶化合物中的電子的二維晶格應該如何運動;它有所謂的精確解，只要壓強和溫度相對較低(即壓力和接近絕對零度的大氣壓的千分之一)。在不同的條件下數學是不確定的，因此實驗測試。

現在他們知道發生了什麼可以完善理論的粒子，尤其是在固態系統。這為比較理論和實驗的研究開闢了一個領域。」我們有10個不同的理論試圖預測這裡會發生什麼。現在理論家們可以回過頭來，說說哪裡出了問題。這項研究發表在7月17日的《自然物理》雜誌上。

作者：Jesse Emspak

來自：Live Science

編譯：光量子

審校：博科園

點擊展開全文

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！