В отличие от обычных металлов, например, меди или золота, поведение которых хорошо изучено, странные металлы ведут себя совсем по-другому. Например, у них наблюдается аномально сильное сопротивление электрическому току. Чтобы понять причины такого поведения уникальных материалов, команда физиков из Университета Райса под руководством профессора Цимяо Си решила воспользоваться концепцией квантовой информации Фишера (QFI). Этот метод квантовой метрологии, позволяет измерять степень изменения взаимодействия электронов в экстремальных условиях. Оказалось, что в квантово-критической точке, то есть в момент перехода вещества от одного состояниями в другому, запутанность электронов достигает максимума.
Чтобы детальнее исследовать это феномен, ученые обратились к теоретической модели, которая называется решетка Кондо. Она описывает взаимодействие магнитных моментов с окружающими электронами. В определенный момент эти взаимодействия становятся настолько сильными, что исчезают квазичастицы — фундаментальные строительные блоки электрического поведения. Используя QFI, исследователи смогли проследить, что именно рост квантовой запутанности приводит к исчезновению квазичастиц, и выяснили, что это происходит именно в момент квантового фазового перехода.
Такой подход объединил сразу два направления науки — квантовую информацию и физику конденсированных сред, результатом чего стало создание принципиально нового метода анализа материалов. «Наше исследование показало, что в странных металлах возникает совершенно уникальная картина квантовой запутанности. И понимание этого позволяет нам по-новому взглянуть на их поведение», — пояснил Си. «Используя инструменты квантовой информационной науки, мы смогли выявить глубокие квантовые корреляции, которые ранее были недоступными нам».
Выводы ученых не просто совпали с теоретическими ожиданиями, но и подтвердились в реальных экспериментах. Полученные при расчетах данные совпали с результатами неупругого нейтронного рассеяния — метода, который позволяет изучать материалы на атомном уровне. Этот результат укрепил предположение о том, что квантовая запутанность играет фундаментальную роль в необычном поведении странных металлов.
Но практическое значение этого открытия еще больше. Странные металлы тесно связаны с высокотемпературными сверхпроводниками — материалами, которые способны без потерь передавать электричество. Если ученые смогут раскрыть все их свойства, им станет под силу создать более эффективные, чем существующие, энергосистемы, усовершенствовать электросети, не говоря уже о разработке новых квантовых технологий.
Исследование не только предлагает новый способ описания сложных материалов, но и открывает перспективы для использования странных металлов в передовых технологиях будущего. Ведь квантовая запутанность — это не просто фундаментальное явление, а ценный ресурс, который можно и нужно использовать в самых разных областях, от вычислений до передачи энергии.
Тем временем российские физики описали новые свойства электронов, и это открытие может значительно повлиять на развитие квантовой электродинамики и технологий будущего.
