양자 물질: 발견된 많은 원자의 얽힘

[아름이]

양자 물질: 발견된 많은 원자의 얽힘
날짜:
2022년 9월 2일
원천:
Technische Universität 드레스덴
요약:
자석이든 초전도체이든 물질은 다양한 특성으로 알려져 있습니다. 그러나 이러한 특성은 극한 조건에서 자발적으로 변경될 수 있습니다. 연구원들은 그러한 상전이의 완전히 새로운 유형을 발견했습니다. 그들은 이전에는 소수의 원자 영역에서만 관찰되었던 많은 원자를 포함하는 양자 얽힘 현상을 보여줍니다.

자석이든 초전도체이든 물질은 다양한 특성으로 알려져 있습니다. 그러나 이러한 특성은 극한 조건에서 자발적으로 변경될 수 있습니다. Technische Universität Dresden(TUD)과 Technische Universität München(TUM)의 연구원들은 이러한 상전이의 완전히 새로운 유형을 발견했습니다. 그들은 이전에는 소수의 원자 영역에서만 관찰되었던 많은 원자를 포함하는 양자 얽힘 현상을 보여줍니다. 그 결과는 최근 과학저널 네이처에 게재됐다.

물리학에서 슈뢰딩거의 고양이는 양자 역학의 가장 경외심을 불러일으키는 두 가지 효과인 얽힘과 중첩에 대한 비유입니다. 드레스덴과 뮌헨의 연구원들은 이제 이러한 거동을 가장 작은 입자보다 훨씬 더 큰 규모로 관찰했습니다. 지금까지, 예를 들어 자기와 같은 특성을 표시하는 재료는 소위 도메인을 갖는 것으로 알려져 있습니다. 즉, 재료 특성이 한 종류 또는 다른 종류(예: 검정색 또는 흰색 이라고 상상해보십시오)가 균일하게 나타나는 섬입니다. . 리튬 홀뮴 플루오라이드(LiHoF 4), 물리학자들은 이제 완전히 새로운 상전이를 발견했습니다. 이 상전이에서 도메인은 놀랍게도 양자역학적 특징을 나타내어 그 특성이 얽히게 됩니다(동시에 흑백). TUD의 이론 고체 상태 물리학 의장인 Matthias Vojta 는 "우리의 양자 고양이는 이전에 존재하지 않는 것으로 알려진 새로운 양자 상전이를 LiHoF 4 에서 발견했기 때문에 이제 새로운 모피를 갖게 되었습니다."라고 말했습니다.

상전이 및 얽힘

물을 보면 물질의 자발적인 변화하는 특성을 쉽게 관찰할 수 있습니다. 섭씨 100도에서는 증발하여 기체로, 섭씨 0도에서는 얼면서 얼음이 됩니다. 두 경우 모두, 이러한 새로운 물질 상태는 물 분자가 스스로 재배열하여 물질의 특성을 변화시키는 상전이의 결과로 형성됩니다. 자기 또는 초전도성과 같은 속성은 전자가 결정에서 상전이를 겪으면서 나타납니다. 섭씨 -273.15도에서 절대 영도에 접근하는 온도에서 상전이의 경우 얽힘과 같은 양자 역학 효과가 작용하며 양자 상전이를 말합니다. "양자 물질의 상전이에 관한 30년 이상의 광범위한 연구가 있지만," 라고 TUM의 상관 시스템 토폴로지 교수인 Christian Pfleiderer가 설명합니다.

양자 얽힘은 얽힌 양자 입자가 일반적으로 상호 배타적인 특성(예: 흑백)이 동시에 발생할 수 있는 공유 중첩 상태로 존재하는 물리학의 가장 놀라운 현상 중 하나입니다. 일반적으로 양자 역학의 법칙은 미세한 입자에만 적용됩니다. 뮌헨과 드레스덴의 연구팀은 이제 수천 개의 원자에 해당하는 훨씬 더 큰 규모에서 양자 얽힘의 영향을 관찰하는 데 성공했습니다. 이를 위해 그들은 잘 알려진 화합물 LiHoF 4 를 사용하기로 선택했습니다 .

구형 샘플로 정밀 측정 가능

매우 낮은 온도에서 LiHoF 4 는 모든 자기 모멘트가 자발적으로 같은 방향을 가리키는 강자성체 역할을 합니다. 그런 다음 원하는 자기 방향에 정확히 수직으로 자기장을 적용하면 자기 모멘트의 방향이 변경되며, 이를 변동이라고 합니다. 자기장 강도가 높을수록 이러한 변동이 더 강해지고 결국 양자 상전이에서 강자성이 완전히 사라질 때까지입니다. 이것은 인접한 자기 모멘트의 얽힘으로 이어집니다. "LiHoF 4 샘플을 매우 강한 자석에 대면 갑자기 자발적인 자성을 멈춥니다. 이것은 25년 동안 알려져 왔습니다."라고 Vojta는 요약합니다.

새로운 것은 자기장의 방향을 바꿀 때 일어나는 일입니다. Pfleiderer는 "양자 상전이가 계속 발생한다는 것을 발견했지만 이전에는 자기장의 가장 작은 기울기라도 즉시 억제할 것이라고 믿었습니다."라고 설명합니다. 그러나 이러한 조건에서 이러한 양자 위상 전이를 겪는 것은 개별 자기 모멘트가 아니라 오히려 광범위한 자기 영역, 이른바 강자성 도메인입니다. 도메인은 동일한 방향을 가리키는 자기 모멘트의 전체 섬을 구성합니다. 박사 학위 논문의 일부로 실험을 수행한 Andreas Wendl은 "우리는 정밀 측정을 위해 구형 샘플을 사용했습니다. 이것이 자기장 방향의 작은 변화에 대한 거동을 정확하게 연구할 수 있게 해주었습니다."라고 덧붙였습니다.

기초 물리학에서 응용까지

"우리는 단지 소수의 소우주가 아니라 수천 개의 원자 규모에서 얽힘이 일어나는 완전히 새로운 유형의 양자 상전이를 발견했습니다."라고 Vojta는 설명합니다. "자기 도메인을 흑백 패턴으로 상상하면 새로운 상전이로 인해 흰색 또는 검은색 영역이 극도로 작아집니다. 즉, 완전히 용해되기 전에 양자 패턴을 생성합니다." 새로 개발된 이론 모델은 실험에서 얻은 데이터를 성공적으로 설명합니다. "우리의 분석을 위해 우리는 기존의 미시적 모델을 일반화하고 미시적 특성에 대한 큰 강자성 도메인의 피드백도 고려했습니다."라고 박사 학위 논문의 일부로 계산을 수행한 Heike Eisenlohr가 설명합니다.

새로운 양자 상전이의 발견은 물질의 양자 현상 연구와 새로운 응용을 위한 기초이자 일반적인 기준 틀로서 중요합니다. Vojta는 "양자 얽힘은 무엇보다도 양자 센서 및 양자 컴퓨터와 같은 기술에 적용되고 사용됩니다. Pfleiderer는 다음과 같이 덧붙입니다. "우리의 작업은 기초 연구 영역에 있지만 제어된 방식으로 재료 속성을 사용하면 실제 응용 프로그램 개발에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/