Открытие предела планковского времени в квантовых материалах открывает путь к новым технологиям

Изображение тяжелых электронов с квантовой запутанностью в CeRhSn. Авторы: Такуто Накамура и Шин-ичи Кимура

Совместная исследовательская группа из Японии обнаружила, что «тяжелые фермионы» — электроны с аномально увеличенной массой — демонстрируют квантовую запутанность, подчиняющуюся планковскому времени, фундаментальной единице времени в квантовой механике. Это открытие открывает новые перспективы для использования данного явления в твердотельных материалах при создании квантовых компьютеров нового типа. Результаты исследования опубликованы в журнале npj Quantum Materials.

Тяжелые фермионы возникают, когда электроны проводимости в твердом теле сильно взаимодействуют с локализованными магнитными электронами, что приводит к увеличению их эффективной массы. Это явление объясняет необычные свойства, такие как нетрадиционная сверхпроводимость, и является ключевой темой в физике конденсированного состояния. Исследуемый материал — церий-родий-олово (CeRhSn) — относится к классу систем с тяжелыми фермионами и квази-кагоме решеткой, известной своими эффектами геометрической фрустрации.

Ученые изучили электронное состояние CeRhSn, которое демонстрирует поведение, отличное от ферми-жидкости, при относительно высоких температурах. Точные измерения спектров отражения показали, что это поведение сохраняется вплоть до комнатной температуры, а время жизни тяжелых электронов приближается к планковскому пределу. Наблюдаемая спектральная картина, описываемая единой функцией, указывает на квантовую запутанность электронов в CeRhSn.

Доктор Шин-ичи Кимура из Университета Осаки, руководивший исследованием, поясняет: «Наши результаты показывают, что тяжелые фермионы в этом квантово-критическом состоянии действительно запутаны, и эта запутанность контролируется планковским временем. Это прямое наблюдение — важный шаг к пониманию сложного взаимодействия между квантовой запутанностью и поведением тяжелых фермионов».

(a) Кристаллическая структура CeRhSn. (b) Обратное время жизни, деленное на температуру, и планковское время в зависимости от энергии фотона, деленной на температуру. (c) Динамическое масштабирование по Планку и теоретическая кривая. Источник: npj Quantum Materials (2025). DOI: 10.1038/s41535-025-00797-w

Квантовая запутанность — ключевой ресурс для квантовых вычислений, и возможность управления ею в твердотельных материалах, таких как CeRhSn, открывает путь к созданию новых архитектур квантовых компьютеров. Наблюдаемый в исследовании предел планковского времени дает важную информацию для проектирования таких систем.

Дальнейшие исследования этих запутанных состояний могут революционизировать квантовые технологии и обработку информации. Открытие не только углубляет понимание сильно коррелированных электронных систем, но и прокладывает путь к новым приложениям в квантовых технологиях следующего поколения.

Дополнительная информация: Шин-ичи Кимура и др., Anisotropic non-Fermi liquid and dynamical Planckian scaling of a quasi-kagome Kondo lattice system, npj Quantum Materials (2025). DOI: 10.1038/s41535-025-00797-w

Источник: Университет Осаки