【新要聞】薛定諤貓有了“新皮毛”——量子材料中首次發現數千原子糾纏

科技日報記者?張夢然

在物理學中，薛定諤貓寓意了量子力學中兩種最令人“敬畏”的效應：糾纏和疊加。德國德累斯頓大學和慕尼黑大學研究人員現已在較大的范圍內觀察到這些現象。

已知具有磁性等特性的材料具有所謂的域（島），其中材料特性均勻地屬于一種或多種類型（例如，想象它們是黑色或白色）。在最新一期《自然》雜志上，物理學家報告稱在氟化鈥鋰（LiHoF4）中發現了一種全新相變，在該相變中，域出人意料地表現出量子力學特征，導致它們的性質變得糾纏在一起（同時是黑色和白色）。

(相關資料圖)

研究人員表示，著名的薛定諤貓現在有了“新皮毛”，因為他們在LiHoF4中發現了一個新的量子相變，這種相變是以前不知道的。

通常，量子力學定律只適用于微觀粒子，而團隊此次成功地觀察到了更大規模的量子糾纏效應，即數千個原子。在非常低的溫度下，LiHoF4充當鐵磁體，其中所有磁矩自發指向同一方向。如果施加一個與首選磁方向完全垂直的磁場，磁矩將改變方向，這就是所謂的波動。磁場強度越高，這些波動就越強，直到最終鐵磁性在量子相變處完全消失。這導致相鄰磁矩的糾纏。

帶有量子毛皮的薛定諤貓：在材料LiHoF4中，德累斯頓大學和慕尼黑大學物理學家發現了一種新的量子相變，在該相變中，域以量子力學方式表現。圖源：C. HOHMANN/慕尼黑量子科技中心

研究人員此次觀察了改變磁場的方向時會發生什么。他們發現，量子相變繼續發生，而以前認為即使是最小的磁場傾斜也會立即抑制它。然而，在這些條件下，經歷這些量子相變的不是單個磁矩，而是廣泛的磁區，即所謂的鐵磁疇。磁疇構成指向同一方向的整個磁矩島。研究人員使用球形樣品進行精密測量。這使他們能精確研究磁場方向微小變化時的行為。

研究人員解釋說，他們發現了一種全新類型的量子相變，其中糾纏發生在數千個原子的規模上，而不僅僅是在幾個原子的縮影中。如果將磁疇想象成黑白圖案，那么新的相變會導致白色或黑色區域變得無限小，即形成量子圖案。

研究人員稱，新量子相變的發現對于研究材料中的量子現象以及新應用具有重要的基礎和參考框架價值。

總編輯圈點：

量子糾纏被稱為幽靈般的超距作用，在量子系統中，糾纏的量子即使相隔遙遠，也能在瞬間相互影響；而量子疊加，則是指一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上，它可以同時既有且無，直到被觀測，所有可能性坍塌為一個確定的結果。一般來說，科研人員都是在極小尺度上觀察到量子的這些神奇行為，但本文中，科學家在更大尺度上觀察到了量子糾纏。它能幫助我們更好地理解氟化鈥鋰的量子特性，或許人們也能由此發掘出一種新的寶藏材料。

標簽： 研究人員 量子力學 量子糾纏