准粒子中的量子纠缠：一种对抗无序的隐身模式

紧紧纠缠在一起的张米背心在无序缺陷状态的海洋中跳舞。图片来源：Armando Consiglio / Uni Würzburg

朱利叶斯-马克西米利安-维尔茨堡大学（JMU）的物理学家取得了一项发现，可以促进对纠缠在高温氧化铜超导体中的作用的理解。这些神秘的量子材料的低能准粒子，即所谓的Zhang-Rice单线态，被发现对极端无序具有显着的弹性。

在玻璃状的电子背景中，这种令人惊讶的弹性是由量子纠缠实现的——量子纠缠是一种量子结合形式，它将空穴和自旋紧密地联系在一起，形成一个有效的准粒子，使粒子更难散射掉杂质。该研究发表在《物理评论快报》上。

准粒子的鲁棒性

想象一下，一对夫妇在繁忙的一天手牵手走过市场：如果它想从一侧移动到另一侧，人群必须退到一边，局部分散周围的人并减慢自己的移动速度。当从上面观看时，这对夫妇和他们避开的环境似乎会作为一个整体移动。这个单位就是凝聚态物理学家所说的准粒子，即决定固体低能激发光谱的有效粒子。

在金属中，准粒子通常由一个电子组成，该电子被其他电子的偏振云包围，电子和偏振云相干地移动。在真实的系统中，这些准粒子会散射出杂质和无序。回到我们虚构的市场，这意味着我们的两只爱情鸟不能只是走过挡在他们面前的障碍物，比如灯柱。相反，他们不得不绕着它走，再次减慢这对夫妇的动作。在真正的金属中，这会导致电子散射杂质，阻碍电子的运动并产生电阻。

在可能的障碍中跳舞

在已发表的研究中，包括JMU研究人员在内的研究小组报告说，铜酸盐材料中的准粒子显然不遵守这种散射规则。这些材料具有复杂的氧化铜层结构，通常以其掺杂时破纪录的高温超导性而闻名。它们的准粒子是Zhang-Rice单线态（ZRS），一种纠缠复合粒子，其中氧穴与铜空位自旋结合在一起，像一对跳舞的情侣一样在晶体中移动。

来自维尔茨堡的科学家在极度无序的铜酸盐环境中测试了这些准粒子，其中高达40%的铜原子被锂取代。因此，这种混乱是如此巨大——我们的“市场”充满了障碍——以至于它使正常的电子完全停滞不前。

物理学家称这种系统为非遍历玻璃系统，因为与典型的实验时间尺度相比，粒子现在的传播速度要慢得多。换句话说，我们市场的访客不再来回，也不再有任何移动。

然而，尽管困难重重，张-赖斯单胞胎在这个量子结合中迷人的孔洞和旋转之舞完全不受挡在他们面前的杂质的影响。它们的量子纠缠阻止了它们的散射，它们只是在系统中移动——就好像“市场”没有障碍一样。

这一发现的意义

该研究揭示了张大米单线态在铜酸盐基电子玻璃中的首次出现，并显示了由于量子纠缠而出现的ZRS准粒子的无懈可击性。这些发现不仅可能对我们对铜酸盐超导体的理解产生深远的影响，而且对未来基于量子相干性的技术也具有深远的影响。

特别是，通过量子纠缠稳定量子态相对于外部扰动的能力可以在量子计算的实现中发挥关键作用。

更多信息：A. Consiglio 等人，LiCu3O3 中具有弹性张稻单线态的电子玻璃相，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.126502

期刊信息： Physical Review Letters