研究人员观察量子阶段过渡期间发生的事情

在低温下的材料TLCUCL3的相图。量子临界点（QCP）分离不含磁场（分别在低压和高压）中的相位。量子波动随着压力的增加而降低。颜色表示测量的中子强度并反映了材料中的激发。（形象的：Paul Scherrer Institute /ChristianRüegg）

在一个新出版的研究中，研究人员观察在量子相变期间发生的事情，并比较磁性结构的“量子熔化”与经典的“热熔”相转变。

当冰温热时，形成其结构的水分子越来越剧烈地振动，直到最后，它们之间的力不得不容易将它们固定在一起 - 冰熔化并变成液态水。量子物理学预测，如果可以改变材料中的颗粒的量子机械波动，则可以观察到类似的现象。通过纯量子效应引发的状态变化 - 称为量子相转变 - 在固态系统中的许多惊人的现象中起作用，包括高温超导性。来自瑞士，英国，法国和中国的研究人员现在通过将其暴露于不同温度的不同外部压力来明确改变了材料TLCUCL3的磁性结构。通过执行中子散射测量，它们可以观察在量子相变期间发生的事情，并比较磁性结构的“量子熔化”与经典“热熔”相变。

水是液体还是固体，以冰的形式取决于两个能量中的哪一个上手。一个是水分子的粘合能量，另一个是分子运动的动能，这变得越来越剧烈温度越高。如果冰被加热高于零摄氏度，则分子的运动变得如此强烈，使得氢键不再能够将它们固定在一起并且冰熔化。整体物理状态改变，或者在物理术语中，发生相位转换。在磁体中可以观察到类似的现象 - 如果磁铁被加热，则变为非磁性 - 并且出于类似的原因。我们可以想象磁铁由许多微小的酒吧磁铁组成，物理学家称为磁性时刻。如果所有这些时刻都并联对齐，则整个材料被磁性排列并表现得像磁铁一样。如果材料被加热，则矩的方向越来越强烈地波动，直到克服对准力并且磁场消失：它有效熔化。

量子物理状态

这种“经典”熔化被温度变化引发，但是通过量子物理法确定了可比性且同样的根本现象。量子力学通知我们，材料中的颗粒的某些性质不能完全清楚。这种不确定性通常被称为量子波动：类似于上述经典波动，粒子的位置或磁矩的对准随时间波动。虽然两种波动的起源是完全不同的，但在某些情况下，它们可能具有相当类似的效果。由量子波动触发的系统的净订购状态的“熔化” - 量子相转变 - 是经典热相转变的量子物理对应物。量子 - 机械相转变是固态物理学中许多最异乎寻常的现象的关键，包括高温超导性。

量子波动的挑战

Paul Scherrer Institute（瑞士村民）的研究人员现已与伦敦大学学院，劳埃尔·兰吉州（格勒诺布尔，法国）和人民大学（中国北京）的同事组成了同事，研究了量子波动和他们的精确影响与经典波动相互作用。基本的实验挑战是找到一种允许直接控制量子波动的系统，并且它们使用了在伯尔尼大学生产的材料TLCUCL3。改变古典波动是简单的 - 材料可以加热和冷却。然而，为了控制磁性材料中的量子波动，必须改变矩之间的对准力。研究人员利用了TLCUCL3相对柔软的事实，使得通过施加外部压力，可以改变内部距离以及材料内的相互作用力。在实验中，它们在宽范围内变化了压力和温度，并在PSI和生病中使用中子源研究了材料。这使它们能够确切地确定材料的状态如何通过量子和经典转换改变。

紊乱不一定是紊乱

研究人员研究了磁性时刻的排列。在TLCUCL3中，矩成对出现，并且在低压下，对之间的磁力在其最弱状态下，使得没有磁性秩序的状态。“然而，这种无序状态看起来与经典无序的磁体完全不同，磁性时刻的方向是简单的随机性的，”Paul Scherrer研究所和研究项目主管的实验室负责人ChristianRüegg解释说。“在这里，另一方面，两个相邻的时刻形成磁对，两个时刻指向完全相反的方向。然而，相邻对之间的相互作用不够强大，因此没有形成远程顺序。“在这种情况下，量子物理学的定律并不规定一对一对矩的时刻点中的哪个点，其中关于识别矩的方向的方向和这种完全不确定性对应于最强的量子波动。如果现在增加压力，则磁矩一起移动，使得来自相邻对的瞬间越来越强，直到配对状态被远程磁场所取代：量子相变由于压力而达到围绕而来。

磁矩的量子动态

在他们的实验中，研究人员主要集中在材料内部的磁性“激励”，这提供了关于矩的量子态的极其准确的信息。这些激发可以想象为磁性时刻的常见，协调的振荡，就像水波或吉他弦的振动。激发与材料中的磁性“紊乱”连接，因为存在的激励越多，磁矩越剧烈。量子物理描述了TLCUCL3中大多数磁激发需要最小的能量来激发，并且可以触发这些磁性的容易取决于磁矩之间的相互作用，在该实验中通过温度和施加在样品上施加的压力。研究人员展示了低压和高压两者的激动需要相当高的能量水平，并且很少被占用。然而，如果将压力调节朝向量子相转变发生的值，则可以观察到最小能量降低，并且可以观察到多种不同的激发。这些还包括其中的起源和数学描述与基本颗粒物理学中的Higgs玻色子完全类似，结果是一些研究人员在固体材料中指的是HIGGS颗粒。Rüegg解释：“我们绝对惊讶地发现这些激动人扮演了关键作用，无论是量子 - 机械还是通过经典波动销毁的顺序 - 一个迷人的量子转型的迷人特征。”

中子揭示刺激

研究人员在Paul Scherrer Institute和Laue-Langevin中使用中子来源进行了中子谱考试。在测量中，它们通过TLCUCL3的样本通过中子流，并观察到中子的飞行路径和速度如何变化。这使该团队能够研究磁场和激励：如果中子出现比进入更慢的流动，它必须通过触发激励来失去能量。“这些波动只能用中子观察，并且您有机会在不同的压力和温度水平下学习样品，”Martin Boehm解释说明，他在生病状态下进行了监督。“在这样做时，我们受益于中子的基本特征之一：它们可以穿过压力电池的墙壁，其中样品实际上畅通无阻。”

奇迹材料

“这种类型的光谱实验可以用TLCUCL3首次进行，因为磁相互作用对施加的压力如此敏感，”Rüegg解释。“在我们所知道的所有其他材料中，我们需要更大的压力，这意味着您只能使用非常小的样品 - 对于中子的光谱实验来说太小了。或者，您可以尝试生产许多不同的样本，这些样本在其结构中略微不同，但这需要很长时间，并且仍然不会产生完整的行为概述。“

出版物：P. Merchant等，“Quantum和典型的Quancical antiformagnet中的典型关键性”，2014年的自然物理学; DOI：10.1038 / nphys2902

图像：Paul Scherrer Institute /ChristianRüegg