Исследователи из Технического университета Дрездена (TUD) и Мюнхенского технического университета (TUM) обнаружили совершенно новый тип фазовых переходов. Они демонстрируют явление квантовой запутанности с участием многих атомов, которое ранее наблюдалось только в области нескольких атомов. Результаты были опубликованы в научном журнале Nature.

В физике кот Шредингера — это аллегория двух наиболее впечатляющих эффектов квантовой механики: запутанности и суперпозиции. Исследователи из Дрездена и Мюнхена теперь наблюдали такое поведение в гораздо большем масштабе, чем у мельчайших частиц. До сих пор было известно, что материалы, обладающие свойствами, такими как магнетизм, имеют так называемые домены — островки, в которых свойства материалов однородны. Если бы это были цвета — то это были бы черные и белые островки. Но изучив фторид лития-гольмия (LiHoF₄), физики обнаружили совершенно новый фазовый переход, при котором домены неожиданно проявляют квантово-механические свойства, в результате чего их свойства становятся запутанными (оставаясь одновременно черными и белыми).

«У нашего “квантового кота” теперь новый “мех”, потому что мы обнаружили новый квантовый фазовый переход в LiHoF₄, о существовании которого ранее не было известно», — говорит Матиас Войта, заведующий кафедрой теоретической физики твердого тела в Технического университета Дрездена.

Такие свойства, как магнетизм или сверхпроводимость, возникают в результате фазовых переходов электронов в кристаллах. Для фазовых переходов при температурах, приближающихся к абсолютному нулю при –273,15 °C, в игру вступают квантово-механические эффекты, такие как запутанность и квантовые фазовые переходы.

При очень низких температурах LiHoF₄ действует как ферромагнетик, в котором все магнитные моменты спонтанно направлены в одну сторону. Если приложить магнитное поле точно вертикально к предпочтительному магнитному направлению, магнитные моменты изменят направление, что известно как флуктуации. Чем выше напряженность магнитного поля, тем сильнее становятся эти флуктуации, пока, в конце концов, ферромагнетизм полностью не исчезнет при квантовом фазовом переходе. Это приводит к запутыванию соседних магнитных моментов.

«Если вы поднесете образец LiHoF₄ к очень сильному магниту, он внезапно перестанет быть самопроизвольно магнитным. Это известно уже 25 лет», — говорит Войта.

Новым является то, что происходит, когда вы меняете направление магнитного поля.

«Мы обнаружили, что квантовый фазовый переход продолжает происходить, в то время как ранее считалось, что даже малейший наклон магнитного поля немедленно подавит его», — объясняет соавтор исследования, профессор топологии коррелированных систем в Мюнхенском техническом университете Кристиан Пфлейдерер.

Однако в этих условиях квантовым фазовым переходам подвергаются не отдельные магнитные моменты, а достаточно обширные магнитные области, так называемые ферромагнитные домены.

«Мы использовали сферические образцы для наших прецизионных измерений. Именно это позволило нам точно изучить поведение при небольших изменениях направления магнитного поля», — добавляет Андреас Вендль, проводивший эксперименты в рамках своей докторской диссертации.

«Мы открыли совершенно новый тип квантовых фазовых переходов, при котором запутывание происходит в масштабах многих тысяч атомов, а не только в микромире нескольких, — объясняет Войта. — Если вы представляете магнитные домены как черно-белый узор, новый фазовый переход приводит к тому, что белые или черные области становятся бесконечно малыми, то есть создают квантовый узор, а не полностью растворяются».

Недавно разработанная теоретическая модель успешно объясняет данные, полученные в результате экспериментов.