La investigación, que aparece esta semana en Ciencias, examinó el comportamiento electrónico y magnético de un compuesto "extraño de metal" de iterbio, rodio y silicio a medida que se acercaba y atravesaba una transición crítica en el límite entre dos fases cuánticas bien estudiadas.

El estudio en la Universidad de Rice y la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) proporciona la evidencia directa más sólida hasta la fecha del papel del enredo en lograr la criticidad cuántica, dijo el coautor del estudio Qimiao Si de Rice.

"Cuando pensamos en el entrelazamiento cuántico, pensamos en cosas pequeñas", dijo Si. "No lo asociamos con objetos macroscópicos. Pero en un punto crítico cuántico, las cosas son tan colectivas que tenemos la oportunidad de ver los efectos del enredo, incluso en una película metálica que contiene miles de millones de objetos mecánicos cuánticos".

Si, un físico teórico y director del Centro de Arroz para Materiales Cuánticos (RCQM), ha pasado más de dos décadas estudiando qué sucede cuando materiales como metales extraños y superconductores de alta temperatura cambian las fases cuánticas. Una mejor comprensión de dichos materiales podría abrir la puerta a nuevas tecnologías en informática, comunicaciones y más.

El equipo internacional superó varios desafíos para obtener el resultado. Los investigadores de TU Wien desarrollaron una técnica de síntesis de materiales altamente compleja para producir películas ultrapuras que contienen una parte de iterbio por cada dos partes de rodio y silicio (YbRh₂Si₂) A temperatura cero absoluta, el material experimenta una transición de una fase cuántica que forma un orden magnético a otro que no lo hace.

En Rice, el coautor del estudio, Xinwei Li, entonces un estudiante graduado en el laboratorio del coautor y miembro de RCQM, Junichiro Kono, realizó experimentos de espectroscopía de terahercios en las películas a temperaturas tan bajas como 1.4 Kelvin. Las mediciones de terahercios revelaron la conductividad óptica de la YbRh₂Si₂ películas ya que se enfriaron a un punto crítico cuántico que marcó la transición de una fase cuántica a otra.

"Con metales extraños, hay una conexión inusual entre la resistencia eléctrica y la temperatura", dijo el autor correspondiente Silke Bühler-Paschen del Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien. "A diferencia de los metales simples como el cobre o el oro, esto no parece deberse al movimiento térmico de los átomos, sino a las fluctuaciones cuánticas a la temperatura cero absoluta".

Para medir la conductividad óptica, Li brilló una radiación electromagnética coherente en el rango de frecuencia de terahercios en la parte superior de las películas y analizó la cantidad de rayos de terahercios que pasaban en función de la frecuencia y la temperatura. Los experimentos revelaron "escalado de frecuencia sobre temperatura", un signo revelador de criticidad cuántica, dijeron los autores.

Kono, un ingeniero y físico en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice, dijo que las mediciones fueron minuciosas para Li, quien ahora es un investigador postdoctoral en el Instituto de Tecnología de California. Por ejemplo, solo una fracción de la radiación de terahercios brilló sobre la muestra que pasó al detector, y la medida importante fue cuánto aumentó o disminuyó esa fracción a diferentes temperaturas.

"Se transmitió menos del 0.1% de la radiación total de terahercios, y la señal, que era la variación de la conductividad en función de la frecuencia, fue un pequeño porcentaje adicional de eso", dijo Kono. "Tomó muchas horas tomar datos confiables a cada temperatura para promediar muchas, muchas mediciones, y fue necesario tomar datos a muchas, muchas temperaturas para probar la existencia de escala.

"Xinwei fue muy, muy paciente y persistente", dijo Kono. "Además, procesó cuidadosamente las enormes cantidades de datos que recopiló para desarrollar la ley de escala, lo que fue realmente fascinante para mí".

Hacer las películas fue aún más desafiante. Para hacerlos lo suficientemente delgados como para pasar rayos de terahercios, el equipo de TU Wien desarrolló un sistema único de epitaxia de haz molecular y un elaborado procedimiento de crecimiento. El iterbio, el rodio y el silicio se evaporaron simultáneamente de fuentes separadas en la proporción exacta de 1-2-2. Debido a la alta energía necesaria para evaporar el rodio y el silicio, el sistema requería una cámara de vacío ultraalta hecha a medida con dos evaporadores de haz de electrones.

"Nuestro comodín fue encontrar el sustrato perfecto: germanio", dijo el estudiante graduado de TU Wien Lukas Prochaska, coautor del estudio. El germanio era transparente a terahercios y tenía "ciertas distancias atómicas (que eran) prácticamente idénticas a las de los átomos de iterbio en YbRh.₂Si₂, lo que explica la excelente calidad de las películas ", dijo.

Si recordó haber discutido el experimento con Bühler-Paschen hace más de 15 años cuando estaban explorando los medios para probar una nueva clase de punto crítico cuántico. El sello distintivo del punto crítico cuántico que estaban avanzando con sus compañeros de trabajo es que el enredo cuántico entre giros y cargas es crítico.

"En un punto crítico cuántico magnético, la sabiduría convencional dicta que solo el sector de centrifugado será crítico", dijo. "Pero si los sectores de carga y rotación están enredados cuánticamente, el sector de carga también terminará siendo crítico".

En ese momento, la tecnología no estaba disponible para probar la hipótesis, pero para 2016, la situación había cambiado. TU Wien podía hacer crecer las películas, Rice había instalado recientemente un potente microscopio que podía escanearlas en busca de defectos, y Kono tenía el espectrómetro de terahercios para medir la conductividad óptica. Durante la visita sabática de Bühler-Paschen a Rice ese año, ella, Si, Kono y la experta en microscopía de Rice, Emilie Ringe, recibieron apoyo para continuar el proyecto a través de un Premio a la Excelencia Interdisciplinaria del recién creado programa Creative Ventures de Rice.

"Conceptualmente, fue realmente un experimento soñado", dijo Si. "Pruebe el sector de carga en el punto crítico cuántico magnético para ver si es crítico, si tiene escala dinámica. Si no ve nada que sea colectivo, es escala, el punto crítico debe pertenecer a algún tipo de descripción de libro de texto. Pero , si ves algo singular, que de hecho vimos, entonces es una evidencia muy directa y nueva de la naturaleza de entrelazamiento cuántico de la criticidad cuántica ".

Si dijo que todos los esfuerzos realizados en el estudio valieron la pena, porque los hallazgos tienen implicaciones de largo alcance.

"El enredo cuántico es la base para el almacenamiento y el procesamiento de la información cuántica", dijo Si. "Al mismo tiempo, se cree que la criticidad cuántica impulsa la superconductividad a alta temperatura. Por lo tanto, nuestros hallazgos sugieren que la misma física subyacente, la criticidad cuántica, puede conducir a una plataforma para la información cuántica y la superconductividad a alta temperatura. Cuando uno contempla esa posibilidad, uno no puede evitar maravillarse de la maravilla de la naturaleza ".

Si es la profesora Harry C. y Olga K. Wiess en el Departamento de Física y Astronomía de Rice. Kono es profesor en los departamentos de Rice de Ingeniería Eléctrica e Informática, Física y Astronomía, y Ciencia de Materiales y Nanoingeniería y el director del Programa de Posgrado en Física Aplicada de Rice. Ringe ahora está en la Universidad de Cambridge.

Otros coautores incluyen a Maxwell Andrews, Maximilian Bonta, Werner Schrenk, Andreas Limbeck y Gottfried Strasser, todos de TU Wien; Hermann Detz, anteriormente de TU Wien y actualmente en la Universidad de Brno; Elisabeth Bianco, anteriormente de Rice y actualmente en la Universidad de Cornell; Sadegh Yazdi, anteriormente de Rice y actualmente en la Universidad de Colorado Boulder; y el coautor principal, Donald MacFarland, anteriormente de TU Wien y actualmente en la Universidad de Buffalo.

La investigación fue apoyada por el Consejo Europeo de Investigación (ERC-227378), la Oficina de Investigación del Ejército (W911NF-14-1-0496, W911NF-17-1-0259, W911NF-14-1-0525), el Fondo de Ciencia de Austria ( FWF-W1243, P29279-N27, P29296-N27), el programa Horizonte 2020 de la Unión Europea (824109-EMP), la National Science Foundation (DMR-1720595, DMR-1920740, PHY-1607611), la Fundación Robert A. Welch ( C-1411), Laboratorio Nacional de Los Alamos y Universidad de Rice.