量子猫的新皮毛:首次发现许多原子的纠缠

诸平

Schroedinger’s cat with quantum fur: In the material LiHoF₄, physicists from the universities of Dresden and Munich have discovered a new quantum phase transition at which the domains behave in a quantum mechanical fashion. Credit: C. Hohmann, MCQST

据德国德累斯顿工业大学（Dresden University of Technology）2022年9月2日报道，量子猫的新皮毛:首次发现许多原子的纠缠（New fur for the quantum cat: Entanglement of many atoms discovered for the first time）。上图是带量子皮毛的薛定谔猫（Schroedinger’s cat）:德累斯顿工业大学（Technische Universität Dresden简称TUD）和慕尼黑工业大学（Technische Universität München简称TUM）的物理学家们，在LiHoF₄材料中发现了一种新的量子相变，在这种相变中，畴（domains）以量子力学的方式表现。

无论是磁体还是超导体，材料都以其各种特性而闻名。然而，在极端条件下，这些特性可能会自发改变。德累斯顿工业大学（TUD）和慕尼黑工业大学（TUM）的研究人员发现了一种全新的相变类型。他们展示了涉及多个原子的量子纠缠现象，这一现象以前仅在少数原子领域观察到。相关研究结果于2022年8月31日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Andreas Wendl, Heike Eisenlohr, Felix Rucker, Christopher Duvinage, Markus Kleinhans, Matthias Vojta, Christian Pfleiderer. Emergence of mesoscale quantum phase transitions in a ferromagnet. Nature, 2022, 609: 65–70. DOI: 10.1038/s41586-022-04995-5. Published: 31 August 2022. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04995-5

量子猫的新皮毛（New fur for the quantum cat）

在物理学中，薛定谔的猫是量子力学两个最令人敬畏的效应的寓言：纠缠和叠加。TUD和TUM的研究人员现在已经在比最小粒子更大的尺度上观察到了这些行为。到目前为止，已知显示磁性等特性的材料具有所谓的畴岛（domains—islands），其中材料特性既可以均匀的是一种或另一种（例如，可以想象它们是要么是黑色的，要么是白色的）。

看看氟化钬锂（LiHoF₄），物理学家们现在发现了一种全新的相变，在这种相变中，磁畴惊人地表现出量子力学特征，导致它们的性质变得纠缠（同时是黑白的）。“我们的量子猫现在有了新的皮毛，因为我们在LiHoF₄中发现了一种以前未知的新的量子相变，”TUD理论固态物理学主席马提亚斯·沃伊塔（Matthias Vojta）说。 

相变和纠缠（Phase transitions and entanglement）

我们可以很容易地观察到一种物质自发变化的性质，如果我们观察水在100 ℃时蒸发成气体，在0 ℃时冻结成冰。在这两种情况下，这些新的物质状态都是由于水分子自身重新排列的相变而形成的，从而改变了物质的特性。磁性或超导电性等特性是电子在晶体中经历相变（phase transitions）的结果。对于在-273.15℃接近绝对零度的温度下发生的相变，纠缠和量子相变等量子力学效应开始发挥作用。

“尽管有超过30年的广泛研究致力于量子材料中的相变，但我们之前假设纠缠现象只在微观尺度上起作用，一次只涉及几个原子，”TUM关联系统拓扑学（Topology of Correlated Systems）教授克里斯蒂安·普夫莱德勒（Christian Pfleiderer）解释道。

量子纠缠是一种状态，其中纠缠的量子粒子以共享叠加态存在，允许通常互斥的特性（例如，黑和白）同时发生。通常，量子力学定律只适用于微观粒子。TUM和TUD的研究团队现在已经成功地在更大的尺度上观察到了量子纠缠（quantum entanglement）的影响，即数千个原子的影响。为此，他们选择了著名的化合物LiHoF₄。

球形样品能够精确测量（Spherical samples enable precision measurements）

在非常低的温度下，LiHoF₄就像一个铁磁体，所有磁矩自发指向同一方向。如果你在垂直于优选磁方向的方向上施加磁场，磁矩会改变方向，这就是所谓的波动（fluctuations）。磁场强度越高，这些涨落就越强，直到铁磁性最终在量子相变时完全消失。这导致相邻磁矩的纠缠。马提亚斯·沃伊塔说：“如果你把LiHoF₄样品放在一块很强的磁体上，它会突然停止自发的磁性。这已经知道有25年了。”

新的是当你改变磁场的方向时会发生什么。克里斯蒂安·普夫莱德勒解释道：“我们发现量子相变继续发生，而此前人们认为，即使磁场的最小倾斜也会立即抑制它。”然而，在这些条件下，经历这些量子相变的不是单个磁矩，而是相当大的磁区域，即所谓的铁磁畴（ferromagnetic domains）。磁畴构成了指向同一方向的整个磁矩（magnetic moments）岛。

将此实验作为他博士论文一部分的安德烈亚斯·温德尔（Andreas Wendl）补充道：“我们使用了球形样品进行精确测量。这使我们能够精确研究磁场（magnetic field）方向微小变化时的行为。”

从基础物理到应用（From fundamental physics to applications）

马提亚斯·沃伊塔解释道：“我们发现了一种全新的量子相变类型，其中纠缠发生在数千个原子的尺度上，而不仅仅是少数原子的微观世界。如果你把磁畴想象成黑白图案，新的相变会导致白色或黑色区域变得无限小，也就是说，形成一个量子图案，然后完全溶解。”一个新开发的理论模型成功地解释了从实验中获得的数据。

在她的博士论文中进行了相关计算的海克·艾森洛尔（Heike Eisenlohr）说：“在我们的分析中，我们概括了现有的微观模型，并考虑了大铁磁畴对微观特性的反馈。”

新量子相变的发现对于研究材料中的量子现象以及新的应用提供了重要的基础和一般参考框架。马提亚斯·沃伊塔说：“量子纠缠在量子传感器和量子计算机等技术中得到了应用和使用。”克里斯蒂安·普夫莱德勒补充道：“我们的工作是在基础研究领域，但是，如果你以可控的方式使用材料特性，这可能会对实际应用的发展产生直接影响。”

此研究得到了德国研究基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft简称DFG)通过慕尼黑量子科学与技术中心(Munich Center for Quantum Science and Technology: EXC 2111, project ID 390814868)、维尔茨堡-德累斯顿量子物质复杂性和拓扑卓越集群{ Würzburg-Dresden Cluster of Excellence on Complexity and Topology in Quantum Matter – ct.qmat (EXC 2147, project ID 390858490), SFB 1143 (project ID 247310070) and TRR80 (project ID 107745057)}提供资金支持。该项目还获得了欧洲研究理事会(European Research Council简称ERC)在欧盟地平线2020研究和创新计划下的资助{ European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement no. 788031, ExQuiSid)}。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Speed limits for quantum phenomena have been extended to macro-sized objects

Abstract

Mesoscale patterns as observed in, for example, ferromagnets, ferroelectrics, superconductors, monomolecular films or block copolymers^1,2 reflect spatial variations of a pertinent order parameter at length scales and time scales that may be described classically. This raises the question for the relevance of mesoscale patterns near zero-temperature phase transitions, also known as quantum phase transitions. Here we report the magnetic susceptibility of LiHoF₄—a dipolar Ising ferromagnet—near a well-understood transverse-field quantum critical point (TF-QCP)^3,4. When tilting the magnetic field away from the hard axis such that the Ising symmetry is always broken, a line of well-defined phase transitions emerges from the TF-QCP, characteristic of further symmetry breaking, in stark contrast to a crossover expected microscopically. We show that the scenario of a continuous suppression of ferromagnetic domains, representing a breaking of translation symmetry on mesoscopic scales in an environment of broken magnetic Ising symmetry on microscopic scales, is in excellent qualitative and quantitative agreement with the field and temperature dependence of the susceptibility and the magnetic phase diagram of LiHoF₄ under tilted field. This identifies a new type of phase transition that may be referred to as mesoscale quantum criticality, which emanates from the textbook example of a microscopic ferromagnetic TF-QCP. Our results establish the surroundings of quantum phase transitions as a regime of mesoscale pattern formation, in which non-analytical quantum dynamics and materials properties without classical analogue may be expected.