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熵景观揭示了量子之谜

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通过精确测量铈铜金合金的熵，其折流电子特性降至接近绝对零度，德国和的物理学家已经收集到关于高温超导性和类似现象的可能原因的新证据 。
“这一演示为更好地理解当某些材料冷却到量子临界点时如何带来高温超导等新行为提供了基础，”莱斯大学物理学家齐淼斯说，他是一项关于该研究的新研究的合着者 。在本周的自然物理学研究 。
实验研究由德国卡尔斯鲁厄卡尔斯鲁厄理工学院的HilbertvonL?hneysen领导 。L?hneysen的团队，包括研究主要作者Kai Grube，花了一年时间对铈铜和金制成的化合物进行了数十次实验 。通过研究应力或在特定方向施加的压力的影响，以及通过使材料非常冷，该团队巧妙地改变了结晶金属化合物中原子之间的间距，从而改变了它们的电子特性 。
铈铜金合金是“重质费米子”，是几种类型的量子材料中的一种，当非常冷时表现出奇特的电子特性 。其中最着名的是高温超导体，因其在远高于传统超导体的温度下以零电阻传导电流的能力而得名 。重费米子表现出不同的怪异性：它们的电子质量实际上是正常质量的数百倍，同样不寻常的是，有效电子质量似乎随着温度的变化而变化很大 。
这些奇怪的行为违背了传统的物理理论 。它们也发生在非常寒冷的温度下，当材料被调谐到“量子相变”时 - 即从一种状态到另一种状态的变化，如冰融化 。2001年，Si及其同事提出了一个新的理论：在量子临界点，电子在两个完全不同的量子态之间波动，以至于它们的有效质量变得无限大 。该理论在接近量子临界点时预测了某些迹象，并且过去16年来，Si与实验物理学家合作，积累证据支持该理论 。
“液态水和冰是H2O存在的两种经典状态，” 量子材料米中心主任Si说 。“冰是一个非常有序的阶段，因为H2O分子整齐地排列在晶格中 。与冰相比，水的有序性较低，但流动的水分子仍然具有潜在的顺序 。关键点在于这两种类型的订单之间的波动 。这是H2O分子想要根据冰进入模式并且想要根据水进入模式的点 。
“它在量子相变过程中非常相似，”他说 。“尽管这种转变是由量子力学驱动的，但它仍然是两个有序状态之间存在最大波动的关键点 。在这种情况下，波动与材料中“电子自旋”的排序有关 。“
旋转是一种固有的属性 - 就像眼睛的颜色 - 每个电子的旋转被分类为“向上”或“向下” 。在磁铁中，如铁，旋转在同一方向上对齐 。但是许多材料表现出相反的行为：它们的旋转以物理学家称之为“反铁磁性”的重复上，下，上，下模式交替出现 。
对重质费米子，高温超导体和其他量子材料的数百次实验发现，量子临界点两侧的磁性顺序不同 。通常，实验在一个化学成分范围内发现反铁磁有序，在临界点的另一侧发现新的有序状态 。
“一个合理的图片是你可以有一个反铁磁的自旋顺序，旋转是非常有序的，你可以有另一种状态，其中旋转不那么有序，”Si，Rice的Harry C.和Olga K. Wiess教授说 。物理学和天文学 。“关键点在于这两个之间的波动最大 。”
铈铜金化合物已成为用于量子临界的原型重质费米子材料，主要归功于冯·洛尼森集团的工作 。
“在2000年，我们在量子临界铈铜金系统中进行了非弹性中子散射实验，”vonL?hneysen说 。“我们发现一个非常不寻常的时空特征，无法用金属的标准理论来理解它 。”
Si说这项研究是刺激他和他的合着者提供2001年理论的重要因素之一，这有助于解释冯洛尼森令人费解的结果 。在随后的研究中，Si及其同事还预测，熵 - 一种经典的热力学性质 - 会随着量子临界点附近的量子涨落而增加 。Si表示，铈铜金的良好记录性质为测试该理论提供了独特的机会 。
在铈铜六中，用少量的金取代铜可以让研究人员略微增加原子之间的间距 。在临界组合物中，合金经历反铁磁量子相变 。通过研究这种成分并在不同的应力条件下多次测量熵，卡尔斯鲁厄团队能够创建一个三维图，显示当系统接近量子临界点时，非常低但有限温度下的熵如何稳定地增加 。
不存在熵的直接测量，但是熵变化与应力的比率与可以测量的另一个比率成正比：样品由于温度变化而膨胀或收缩的量 。为了能够在极低的温度下进行测量，卡尔斯鲁厄团队开发了一种精确测量长度变化小于十分之一万亿分之一的方法 - 大约是单个原子半径的千分之一 。
卡尔斯鲁厄理工学院的高级研究员格鲁伯说：“我们测量的熵是沿着所有不同主方向施加的应力的函数 。” “我们在多维参数空间中制作了详细的熵景观图，并验证了量子临界点位于熵山之上 。”
VonL?hneysen表示，热力学测量还为临界点附近的量子涨落提供了新的见解 。
“令人惊讶的是，这种方法允许我们重建这种量子临界材料中量子临界波动的潜在空间分布，”他说 。“这是第一次采用这种方法 。”
Si说，令人惊讶的是，只需使用熵测量即可完成 。
“非常值得注意的是，熵景观可以很好地与从非弹性中子散射等微观实验确定的量子临界波动的详细剖面连接起来，尤其是当它们最终提供支持该理论的直接证据时更是如此，”他说过 。
Si说，更一般地说，在多维参数空间中量子临界点上显着的熵增强的证明，提出了电子 - 电子相互作用引起高温超导的方式的新见解 。
“减轻量子临界点累积熵的一种方法是让系统中的电子重新组织成新的相位，”他说 。“随之而来的可能阶段是非常规超导，其中电子配对并形成连贯的宏观量子态 。”
【熵景观揭示了量子之谜】

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