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 (LiHoF 4), 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 LiHoF 4, 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 LiHoF 4 действует как ферромагнетик, в котором все магнитные моменты спонтанно направлены в одном направлении. 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 LiHoF 4 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, т. е. создают квантовый узор, а не полностью растворяются». Недавно разработанная теоретическая модель успешно объясняет данные, полученные в результате экспериментов.
