在量子临界金属中见证放大的多体纠缠：解锁强关联体系量子奥秘的关键

为解决强关联金属量子临界性难以刻画的问题，研究人员以近 Kondo 破坏量子临界点的 Anderson/Kondo 晶格模型为对象，研究量子 Fisher 信息（QFI）。结果发现 QFI 在量子临界点达到峰值，表明存在强纠缠基态，这为理解金属量子临界性开辟了新途径。

　　在神秘的量子世界里，物质的强关联现象就像一把神奇的钥匙，开启了量子相和量子临界点的奇妙大门。对于金属系统而言，量子临界性更是突破了传统 Landau 框架的束缚，变得愈发难以捉摸。科学家们深知，想要深入了解这个神秘领域，就必须找到新的研究方法。于是，探索如何准确表征量子临界流体，成为了凝聚态物理领域亟待攻克的难题。

在众多强关联体系中，奇怪金属（strange metals）因其在量子临界点附近的独特性质，吸引了众多科研人员的目光。其中，重费米子金属（heavy fermion metals）中的 Kondo 效应在量子临界点的变化，更是充满了未知。尽管科学家们已经对 Kondo 效应有了一定的认识，但对于其在量子临界状态下的微观机制，仍然知之甚少。

为了揭开这些谜团，来自美国莱斯大学（Rice University）、普林斯顿大学（Princeton University）以及奥地利维也纳工业大学（Vienna University of Technology）的研究人员携手合作。他们将目光聚焦于量子信息领域的两个重要量 —— 互信息（mutual information）和量子 Fisher 信息（quantum Fisher information，QFI），试图从全新的角度解析 Kondo 破坏量子临界点（Kondo destruction quantum critical point）附近的纠缠行为。这项具有开创性的研究成果发表在了《Nature Communications》杂志上，为强关联金属量子临界性的研究带来了新的曙光。

在研究过程中，研究人员主要运用了两种关键技术方法。一是扩展动力学平均场理论（extended dynamical mean field theory，EDMFT），通过这种方法，他们能够将晶格模型的关联函数转化为自洽的玻色 - 费米安德森（Bose - Fermi Anderson，BFA）模型进行计算，从而深入研究 Kondo 杂化和 RKKY 相互作用之间的动态竞争。二是非弹性中子散射（inelastic neutron scattering）技术，利用该技术，研究人员可以测量材料中的自旋动力学，进而提取自旋 QFI，与理论计算结果进行对比验证。

研究人员首先对 Kondo 破坏量子临界点展开研究。Kondo 晶格模型及其强耦合的 Anderson 晶格模型包含局域磁矩（local moments）和传导电子（conduction electrons）两种自由度，它们之间的相互作用十分复杂。研究人员通过计算局域（f）和传导（c）电子之间的互信息发现，随着调节参数（RKKY 相互作用I与裸 Kondo 温度尺度TK0?的比值δ=I/TK0?）的增加，系统会发生 Kondo 破坏量子相变。在 Kondo 屏蔽相，互信息很大，而在 Kondo 破坏相，尽管 Kondo 单重态被破坏，但互信息仍然不为零，这表明 Kondo 单重态相关性持续存在，也为后续研究量子纠缠奠定了基础。

接着，研究人员对量子 Fisher 信息进行了深入探究。QFI 可以检测量子多体系统中的多体纠缠，其本质与 Bell 不等式类似。研究人员聚焦于 Kondo 晶格系统中反铁磁（AF）波矢Q处f磁矩的自旋算符，计算得到归一化 QFI 密度（nQFI）。结果发现，nQFI 在量子临界点处出现尖锐峰值，且峰值超过了 2，这意味着基态至少包含三体纠缠。同时，研究人员还发现，随着温度降低，nQFI 单调增加，在低温下也能达到至少三体纠缠的状态。此外，通过计算自旋对的两体纠缠（two - tangle），研究人员发现其在量子临界点处为零，这表明纠缠分布在多个自旋之间，而不是局限于成对的自旋，进一步证明了系统中存在强纠缠。

研究人员还将理论结果与实验进行了对比。他们从CeCu5.9?Au0.1?和Ce3?Pd20?Si6?等重费米子金属的非弹性中子散射数据中提取自旋 QFI，发现实验数据在温度依赖性和大小上都支持了理论计算结果。而且，这些材料中测量到的自旋动力学具有奇异性，其临界动力学指数与理论值α≈0.82相当。

在研究结论和讨论部分，研究人员指出，他们的理论结果可以通过实验进行验证，并且 QFI 在量子临界点处达到峰值这一发现，确立了奇怪金属区域能够放大量子纠缠的特性。多体纠缠与不寻常的量子多体动力学相关，这为解释奇怪金属的异常动力学提供了新的视角。此外，研究还揭示了奇怪金属中 Landau 准粒子（Landau quasiparticles）的损失机制，即通过 QFI 计算发现量子临界区域中f磁矩之间形成了强纠缠，这种纠缠抑制了f?c（Kondo）纠缠，进而导致了准粒子的损失。

这项研究意义重大，它为超越 Landau 框架的量子临界金属提供了重要的表征方法，让人们对强关联金属的量子临界性有了更深入的理解。同时，也为研究其他强关联体系中的量子纠缠和量子动力学开辟了新的道路，为未来探索更广阔的量子物质领域奠定了坚实的基础。