一種新人工材料可類比量子嵌入稀土化合物

Viliam Vaňo和他的同事研發了一種新的人工材料可類比量子嵌入稀土化合物，這種材料具有通常需要稀土化合物的量子特性，可以改進量子電腦，並推動對超導和量子臨界的研究。

這種量子嵌入稀土化合物相對容易製造，可以為量子計算提供一個新的平臺，並推動對非常規超導性和量子臨界性的研究。

研究人員表明，通過從看似普通的材料開始，可以出現一個全新的物質量子狀態。這一發現源于他們創造量子自旋液體的努力，他們可以用這種液體來研究出現的量子現象，如規整理論。這涉及到製造一個單層的原子級薄的二硫化鉭，但這個過程也創造了由兩層組成的區域。

當研究小組檢查這些區域時，他們發現兩層之間的相互作用誘發了一種被稱為Kondo效應的現象，導致物質的宏觀糾纏狀態產生了一個重費米子系統（heavy-fermion system）。

Kondo效應是磁性雜質和電子之間的相互作用，導致材料的電阻隨溫度變化。這導致電子錶現得好像它們有更大的品質，導致這些化合物被稱為重費米子材料。這種現象是含有稀土元素的材料的一個標誌。

“重費米子材料在前沿物理學的幾個領域都很重要，包括對量子材料的研究。研究複雜的量子材料受阻于自然發生的化合物的特性。我們的目標是生產可以隨時調整和控制的人工設計材料，以擴大可以在實驗室實現的獨特現象，”彼得-利耶羅教授（Peter Liljeroth）說。

例如，重費米子材料可以充當拓撲超導體，這對於構建對噪音和環境擾動更穩定的量子比特是很有用的，可以降低量子電腦的錯誤率。Liljeroth小組的博士生、該論文的第一作者Viliam Vaňo解釋說：“在現實生活中創造這一點將極大地受益於擁有一個重費米子材料系統，它可以很容易地被納入電氣設備並在外部進行調整。“

儘管新材料中的兩層都是硫化鉭，但它們的特性存在著微妙但重要的差異。一個層的行為像金屬一樣，傳導電子，而另一個層有一個結構變化，導致電子被定位到一個規則的晶格中，兩者的結合導致了重費米子物理學的出現。

這種新的重費米子材料也為探測量子臨界點提供了一個強有力的工具。何塞-拉多教授解釋說：“當材料開始從一個集體量子狀態轉移到另一個集體量子狀態時，可以達到一個量子臨界點，例如，從一個普通的磁鐵轉移到一個糾纏的重費米子材料。在這些狀態之間，整個系統是臨界的，對最輕微的變化都有強烈的反應，並提供了一個理想的平臺來設計更多的獨特量子物質。”

“除了近期研發的量子嵌入稀土化合物，在未來，我們還將探索該系統如何對每個分子層相對于另一個分子層旋轉作出的反應，並嘗試修改各個分子層之間的耦合，將材料調整為量子臨界行為，”Liljeroth說。

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