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量子糾纏是科學(xué)家探索的重要方向之一。而實現(xiàn)多原子糾纏，更是材料科學(xué)和量子計算領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師追求的目標。最近，德累斯頓工業(yè)大學(xué)（TUD）和慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種全新的相變類型：在LiHoF 4（一種偶極伊辛鐵磁體）中，利用磁疇相變能實現(xiàn)多原子量子糾纏。

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利用磁疇相變實現(xiàn)量子糾纏

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相變，是指物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程。例如，水加熱到100攝氏度時會蒸發(fā)成氣體，冷卻到0攝氏度以下會結(jié)冰。在這兩種情況下，水分子通過重新排列自身分子發(fā)生相變從而改變物質(zhì)的特性。

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同樣地，磁性或超導(dǎo)性等特性是電子在晶體中經(jīng)歷相變后出現(xiàn)的。在鐵磁材料中，當其被冷卻到居里溫度以下時，會發(fā)生自發(fā)磁化，并產(chǎn)生分化的、方向各異的小型磁化區(qū)域——疇。每個疇內(nèi)所包含的大量原子的磁化方向一致，然后排列成矩陣。相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同。

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如今，TUD和TUM聯(lián)合小組通過將相鄰磁矩實施相變，實現(xiàn)了大規(guī)模量子糾纏。TUD理論固態(tài)物理學(xué)主席Matthias Vojta說：“人類發(fā)現(xiàn)這一原理的歷史已有25年之久：將LiHoF 4材料放在非常強磁性的磁鐵上，它會立刻停止自發(fā)磁性?！?/p>

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TUM相關(guān)系統(tǒng)拓撲學(xué)教授Christian Pfleiderer進一步補充道：“我們的創(chuàng)新之處在于，如何利用磁場方向改變這一特性。”

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他們提出，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，這被稱為波動現(xiàn)象。磁場強度越高，波動就越強，最終鐵磁性將在量子相變中完全消失，導(dǎo)致相鄰磁矩發(fā)生糾纏。

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從基礎(chǔ)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用

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人們通常認為，即使是最小的磁場傾斜都會造成相變中斷。該聯(lián)合研究小組在論文中解釋道：“我們認為，在微觀尺度上的磁伊辛對稱性破缺的環(huán)境中，鐵磁疇的連續(xù)抑制，代表了介觀尺度上平移對稱性的破缺，與LiHOF4在傾斜場下的磁化率和磁相圖對場和溫度的依賴性，呈現(xiàn)出非常好的定性和定量一致性。由此確定了一種新的相變類型：中尺度量子臨界性。”

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利用球形樣品進行精確測量，他們對磁場的微小變化進行了研究。Vojta 解釋說：“我們發(fā)現(xiàn)了一種全新的量子相變，并實現(xiàn)了數(shù)千規(guī)模的原子糾纏。如果你將磁疇想象成黑白體，那么新的相變會導(dǎo)致白色或黑色區(qū)域變得無限小，形成量子圖案，直至完全消失?！?/p>

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新量子相變的發(fā)現(xiàn)為研究材料量子特性以及新應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)和參考框架。Pfleiderer 補充說：“我們的工作處在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。但如果您以可控的方式使用材料特性，它可能對實際應(yīng)用的開發(fā)產(chǎn)生直接影響?！?/p>

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該研究得到了德國聯(lián)邦和州政府卓越戰(zhàn)略的財政支持，包括Würzburg-Dresden拓撲和復(fù)雜量子物質(zhì)研究中心ct.qmat和慕尼黑量子科學(xué)與技術(shù)中心MCQST。此外，這項工作還得到了歐洲研究理事會（ERC）和德國合作研究中心（SFB）的1143和TRR80項目撥款支持。

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編譯：A編輯：慕一