凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域是一幅由相互作用的粒子構(gòu)成的復(fù)雜圖案，孕育著令人嘆為觀止的各種材料特性。在這幅圖中最神秘的線索之一是“奇異金屬”，這類(lèi)材料的特性違背了我們對(duì)固體中電子行為的傳統(tǒng)理解。與費(fèi)米-液體理論所描述的良序?qū)?yīng)物不同，奇異金屬表現(xiàn)出奇特的特征，例如電阻在極低的溫度下仍然與溫度呈線性關(guān)系。這些不尋常的特性通常出現(xiàn)在量子臨界點(diǎn)（QCP）附近，這些臨界點(diǎn)是材料在絕對(duì)零度下經(jīng)歷量子相變的微妙交匯處。

在一項(xiàng)最近的突破性研究中，物理學(xué)家們深入探索了這些臨界金屬的量子核心，見(jiàn)證了一種具有深刻意義的現(xiàn)象：多體糾纏的放大，這是一種復(fù)雜的量子關(guān)聯(lián)形式，恰好發(fā)生在量子臨界點(diǎn)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，得益于量子信息理論工具的應(yīng)用，不僅加深了我們對(duì)控制這些奇異材料的基本物理學(xué)的理解，也為探索量子力學(xué)和宏觀現(xiàn)象之間錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用開(kāi)辟了新的途徑。

奇異金屬和量子臨界性

要理解這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的重要性，首先必須了解奇異金屬和量子臨界性的背景。傳統(tǒng)的金屬可以用朗道的費(fèi)米-液體理論很好地描述，該理論認(rèn)為金屬中的電子表現(xiàn)為弱相互作用的準(zhǔn)粒子。這些準(zhǔn)粒子具有明確定義的能量和動(dòng)量，從而導(dǎo)致可預(yù)測(cè)的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。然而，在奇異金屬中，這種圖景崩潰了。電子似乎失去了它們的個(gè)體特性并變得強(qiáng)關(guān)聯(lián)，從而導(dǎo)致了它們的異常行為。這種準(zhǔn)粒子的失效通常與接近量子臨界點(diǎn)有關(guān)。

量子臨界點(diǎn)與經(jīng)典的臨界點(diǎn)（例如水的沸點(diǎn)）根本不同。經(jīng)典臨界點(diǎn)是由熱漲落驅(qū)動(dòng)的，而量子臨界點(diǎn)則受量子漲落支配，由于海森堡不確定性原理，量子漲落即使在絕對(duì)零度下也持續(xù)存在。這些量子漲落可以引起材料基態(tài)的劇烈變化，導(dǎo)致不同量子相之間的轉(zhuǎn)變。量子臨界點(diǎn)附近的區(qū)域，稱為量子臨界區(qū)，通常以奇異金屬態(tài)、非常規(guī)超導(dǎo)態(tài)和其他新穎的物質(zhì)狀態(tài)等奇特現(xiàn)象的出現(xiàn)為特征。這些現(xiàn)象的理論描述已被證明是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，通常需要超越傳統(tǒng)的準(zhǔn)粒子框架。

量子費(fèi)舍爾信息的作用

在這種背景下，最近的研究通過(guò)采用量子信息理論的語(yǔ)言，特別是關(guān)注量子糾纏的概念，引入了一種強(qiáng)大的新視角。糾纏，愛(ài)因斯坦曾將其著名地描述為“鬼魅般的超距作用”，是量子力學(xué)的基本特征，其中兩個(gè)或多個(gè)粒子以一種方式連接在一起，無(wú)論它們之間相隔多遠(yuǎn)，它們的命運(yùn)都交織在一起。雖然兩個(gè)粒子之間的成對(duì)糾纏相對(duì)容易理解，但涉及三個(gè)或更多粒子的多體糾纏是一種更復(fù)雜、更豐富的量子關(guān)聯(lián)形式。人們認(rèn)為它在多體系統(tǒng)中復(fù)雜量子現(xiàn)象的涌現(xiàn)中起著至關(guān)重要的作用。

為了探測(cè)量子臨界金屬中這種復(fù)雜的糾纏，研究人員利用了一個(gè)稱為量子費(fèi)舍爾信息（QFI）的量。QFI最初是在量子計(jì)量學(xué)領(lǐng)域中開(kāi)發(fā)用于提高測(cè)量精度的，但最近已成為檢測(cè)和量化多體系統(tǒng)中糾纏的寶貴工具。值得注意的是，QFI對(duì)多體糾纏特別敏感，使其成為研究量子臨界點(diǎn)附近復(fù)雜關(guān)聯(lián)的理想探針。

該研究著重于與重費(fèi)米子金屬相關(guān)的理論模型，重費(fèi)米子金屬是一類(lèi)已知表現(xiàn)出強(qiáng)關(guān)聯(lián)和量子臨界性的材料。具體來(lái)說(shuō)，他們研究了接近其近藤破壞量子臨界點(diǎn)的安德森/近藤晶格模型。通過(guò)復(fù)雜的理論計(jì)算，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的結(jié)果：自旋量子費(fèi)舍爾信息在量子臨界點(diǎn)處表現(xiàn)出明顯的峰值。這個(gè)峰值標(biāo)志著系統(tǒng)基態(tài)中多體糾纏的急劇增加，因?yàn)樗咏R界點(diǎn)。此外，研究人員還能夠通過(guò)從真實(shí)重費(fèi)米子材料的非彈性中子散射測(cè)量中提取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)證實(shí)他們的理論發(fā)現(xiàn)，這為他們的結(jié)論提供了強(qiáng)有力的支持。

意義與未來(lái)

在量子臨界點(diǎn)觀察到放大的多體糾纏對(duì)我們理解奇異金屬具有深刻的意義。這表明，準(zhǔn)粒子的失效（奇異金屬態(tài)的一個(gè)標(biāo)志）與材料中強(qiáng)且復(fù)雜的量子關(guān)聯(lián)的出現(xiàn)密切相關(guān)。放大的糾纏表明，電子不是作為獨(dú)立的實(shí)體行為，而是以集體量子態(tài)深深地相互連接。這種觀點(diǎn)與主要關(guān)注單粒子激發(fā)態(tài)的傳統(tǒng)方法不同，并強(qiáng)調(diào)了在理解這些材料的宏觀性質(zhì)時(shí)考慮復(fù)雜量子關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重要性。

此外，奇異金屬與高溫超導(dǎo)體之間的聯(lián)系為這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)增添了另一層重要性。許多高溫超導(dǎo)材料在高于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的正常態(tài)下表現(xiàn)出奇異金屬態(tài)。因此，理解奇異金屬態(tài)的性質(zhì)，特別是糾纏的作用，可能為高溫超導(dǎo)的機(jī)制提供關(guān)鍵的見(jiàn)解。在相關(guān)系統(tǒng)中量子臨界點(diǎn)處觀察到放大的多體糾纏表明，類(lèi)似的復(fù)雜量子關(guān)聯(lián)可能在高溫超導(dǎo)的前驅(qū)相中起作用。

除了奇異金屬的具體案例外，這項(xiàng)工作還強(qiáng)調(diào)了量子信息理論在解決凝聚態(tài)物理學(xué)基本問(wèn)題中的日益重要性。通過(guò)使用量子費(fèi)舍爾信息等工具，物理學(xué)家們正在獲得表征和理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料中出現(xiàn)的復(fù)雜量子態(tài)的新方法。這種跨學(xué)科的方法有望揭示量子世界的更多秘密，并可能導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)具有前所未有特性的新材料。

展望未來(lái)，這項(xiàng)研究為未來(lái)的探索開(kāi)辟了幾個(gè)令人興奮的方向。一個(gè)關(guān)鍵的方向是進(jìn)一步表征觀察到的多體糾纏的性質(zhì)。存在哪些特定類(lèi)型的糾纏？當(dāng)系統(tǒng)接近和遠(yuǎn)離量子臨界點(diǎn)時(shí)，糾纏結(jié)構(gòu)如何演變？回答這些問(wèn)題可以更詳細(xì)地了解這些材料中潛在的量子組織。另一個(gè)重要的研究領(lǐng)域是探索其他量子臨界系統(tǒng)，并調(diào)查多體糾纏的放大是否是金屬量子臨界性的普遍特征。此外，具有放大糾纏的奇異金屬的潛在技術(shù)應(yīng)用，特別是在量子技術(shù)領(lǐng)域，值得進(jìn)一步探索。這些高度糾纏態(tài)能否用于量子計(jì)算或量子傳感？