焦点报道:总编辑圈点|薛定谔猫有了“新皮毛”——量子材料中首次发现数千原子纠缠

科技日报记者 张梦然

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在物理学中，薛定谔猫寓意了量子力学中两种最令人“敬畏”的效应：纠缠和叠加。德国德累斯顿大学和慕尼黑大学研究人员现已在较大的范围内观察到这些现象。

已知具有磁性等特性的材料具有所谓的域（岛），其中材料特性均匀地属于一种或多种类型（例如，想象它们是黑色或白色）。在最新一期《自然》杂志上，物理学家报告称在氟化钬锂（LiHoF4）中发现了一种全新相变，在该相变中，域出人意料地表现出量子力学特征，导致它们的性质变得纠缠在一起（同时是黑色和白色）。

研究人员表示，著名的薛定谔猫现在有了“新皮毛”，因为他们在LiHoF4中发现了一个新的量子相变，这种相变是以前不知道的。

通常，量子力学定律只适用于微观粒子，而团队此次成功地观察到了更大规模的量子纠缠效应，即数千个原子。在非常低的温度下，LiHoF4充当铁磁体，其中所有磁矩自发指向同一方向。如果施加一个与首选磁方向完全垂直的磁场，磁矩将改变方向，这就是所谓的波动。磁场强度越高，这些波动就越强，直到最终铁磁性在量子相变处完全消失。这导致相邻磁矩的纠缠。

带有量子毛皮的薛定谔猫：在材料LiHoF4中，德累斯顿大学和慕尼黑大学物理学家发现了一种新的量子相变，在该相变中，域以量子力学方式表现。图源：C. HOHMANN/慕尼黑量子科技中心

研究人员此次观察了改变磁场的方向时会发生什么。他们发现，量子相变继续发生，而以前认为即使是最小的磁场倾斜也会立即抑制它。然而，在这些条件下，经历这些量子相变的不是单个磁矩，而是广泛的磁区，即所谓的铁磁畴。磁畴构成指向同一方向的整个磁矩岛。研究人员使用球形样品进行精密测量。这使他们能精确研究磁场方向微小变化时的行为。

研究人员解释说，他们发现了一种全新类型的量子相变，其中纠缠发生在数千个原子的规模上，而不仅仅是在几个原子的缩影中。如果将磁畴想象成黑白图案，那么新的相变会导致白色或黑色区域变得无限小，即形成量子图案。

研究人员称，新量子相变的发现对于研究材料中的量子现象以及新应用具有重要的基础和参考框架价值。

总编辑圈点：

量子纠缠被称为幽灵般的超距作用，在量子系统中，纠缠的量子即使相隔遥远，也能在瞬间相互影响；而量子叠加，则是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上，它可以同时既有且无，直到被观测，所有可能性坍塌为一个确定的结果。一般来说，科研人员都是在极小尺度上观察到量子的这些神奇行为，但本文中，科学家在更大尺度上观察到了量子纠缠。它能帮助我们更好地理解氟化钬锂的量子特性，或许人们也能由此发掘出一种新的宝藏材料。

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