逃避量子现象在室温固态体系实验中首次亮相

一个由 QSC 支持的团队首次发现了一种以前无法检测到的量子激发态，称为轴向希格斯模式。

这种模式表现为稀土碲化物中的低能激发，这是一类以表现出电荷密度波或 CDW 相互作用而著称的量子材料。这种行为是指形成特定模式和相关性的量子材料中相互作用电子的排列。

与由希格斯机制产生的常规希格斯模式不同，希格斯机制为粒子物理标准模型中的基本粒子提供质量，轴向希格斯模式在室温下是可见的。这一特性使得为各种应用（包括下一代内存存储和光电设备）操纵量子材料的实验提供了更有效和更具成本效益的实验，否则这些应用将需要极冷的温度。

负责这些结果的团队发表在《自然》杂志上，由波士顿学院的研究人员领导，包括来自哈佛大学、普林斯顿大学、马萨诸塞大学阿默斯特分校、耶鲁大学、华盛顿大学和中国科学院的科学家。

哈佛大学助理教授、美国系 QSC 首席研究员Prineha Narang说：“这个结果的简单性几乎是优雅的——很难找到一个具有超级干净特征的新粒子而不大张旗鼓。”美国能源部国家量子信息科学研究中心总部位于美国能源部橡树岭国家实验室。

（研究人员最近证实了轴向希格斯模式的存在，这里将粒子激发描述为一个金色的球体。他们使用了拉曼光谱，其中以蓝色显示的入射电场与粒子耦合，随后以不同的频率散射，以红色显示。图片来源：Ioannis Petrides 和 Prineha Narang/哈佛大学）

为了测量轴向希格斯模式，研究人员使用拉曼光谱（一种近 100 年历史的技术，旨在表征复杂材料的结构和特性）来观察路径干扰，这证明了量子力学控制物质的能力。他们在多个稀土 CDW 系统中发现了这种量子路径的干扰，这种现象持续到室温，并且对轴向希格斯模式与附近声子的混合或材料中的振动不敏感。

“在室温固态体系实验中模拟轴向希格斯模式的物理学，为我们理解和使用奇异粒子开辟了新视野，”哈佛大学NarangLab博士后研究员Ioannis Petrides说。

最显着的量子活动只出现在非常低的温度下，这需要依赖有限供应的液氦的稀释冰箱。否则，量子材料的物理特性往往会完全不可见或被噪声掩盖，这会导致某些特性如此迅速地进入和退出视野，以至于无法确认或正确研究它们。尽管该团队确实冷却了他们的 CDW 样品，但他们发现，一旦材料升温至室温，特征或光谱测量产生的波长仍然保持清洁。

研究人员预计，轴向希格斯模式也可能存在于其他地方，包括超导体和磁性材料，这将使实验者能够在不依赖极端条件或大型设施的情况下研究和优化量子系统。

“人们对轴向希格斯模式很感兴趣，因为它提供了一个可识别的指纹，代表了一个量子系统，而无需查看所有涉及的物理，”Narang 说。“如果您需要研究一种未知材料以确定它是自旋液体还是超导体或其他东西，那么对集体模式光谱进行指纹识别的能力可以让您轻松地通过光谱对其进行表征。”

具有轴向希格斯模式的材料甚至可以用作能够对其他量子系统进行分类的新型量子传感器，进一步的研究可能有助于更好地理解标准模型无法解释的普遍异常，例如暗物质。

这项工作建立在许多先前的研究工作的基础上，标志着在量子材料中寻找奇异集体模式的一个重要里程碑，包括轴向希格斯模式。Narang 将这一成就描述为多学科研究向前迈出的重要一步，重点是高能物理学和凝聚态物质之间的交叉点。

她说：“如果没有启用 QSC 的、与多元化专家团队（包括领导关键量子研究工作的多名女性）进行广泛对话，这一突破是不可能实现的。”

除了 QSC，该团队还得到了美国能源部科学办公室、海军研究办公室、空军科学研究办公室、国家科学基金会、戈登和贝蒂摩尔基金会、大卫和露西尔帕卡德基金会的支持，斯隆基金会和瑞士国家科学基金会。

QSC 是由 ORNL 领导的 DOE 国家量子信息科学研究中心，在国家实验室、大学和行业合作伙伴进行前沿研究，以克服量子态弹性、可控性以及最终量子技术可扩展性方面的关键障碍。QSC 研究人员正在设计能够实现拓扑量子计算的材料；实施新的量子传感器来表征拓扑状态并检测暗物质；设计量子算法和模拟，以更好地理解量子材料、化学和量子场论。这些创新使 QSC 能够加速信息处理，探索以前无法测量的领域，并更好地预测跨技术的量子性能。

原文链接：

[1]https://qscience.org/evasive-quantum-phenomenon-makes-debut-in-routine-tabletop-experiment/