[论文解读] Observation of classical to quantum crossover in electron glass

Hideaki Murase, Shunto Arai+5 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2022

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用 4

一句话总结

本研究通过在几何受挫的有机电荷玻璃上使用拉曼光谱，实验观测了电子玻璃中经典到量子的过渡。结果揭示了电荷分布从离散的、粒子型特征向连续的、窄化的分布演化，随着几何受挫程度增加，识别出通过温度依赖的能量景观演化，首次明确展示了量子电荷玻璃行为的出现。

ABSTRACT

Glass, a ubiquitous state of matter like a frozen liquid, is a seminal issue across fundamental and applied sciences and has long been investigated in the framework of classical mechanics. A challenge in glass physics is the exploration of the quantum-mechanical behaviour of glass. Experimentally, however, the real quantum manifestation of glass and the relationship between classical and quantum glass are totally unknown and remain to be observed in real systems. Here, we report the direct observation of classical-to-quantum evolution in the frustration-induced charge glass state exhibited by interacting electrons in organic materials. We employ Raman spectroscopy to capture a snapshot of the charge density distribution of each molecule in a series of charge glasses formed on triangular lattices with different geometrical frustrations. In less frustrated glass, the charge density profile exhibits a particle-like two-valued distribution; however, it becomes continuous and narrowed with increasing frustration, demonstrating the classical-to-quantum crossover. Moreover, the charge density distribution shows contrasting temperature evolution in classical and quantum glasses, enabling us to delineate energy landscapes with distinct features. The present result is the first to experimentally identify the quantum charge glass and show how it emerges from classical glass.

研究动机与目标

• 为了实验探测玻璃态系统中的量子力学行为，特别是电子玻璃中的行为。
• 为了识别在受挫电子系统中经典行为向量子行为转变的临界点。
• 为了表征真实材料中经典与量子区域电荷密度分布的演化过程。
• 通过温度依赖测量，区分经典玻璃与量子玻璃的能量景观特征。

提出的方法

• 使用拉曼光谱探测在三角晶格上形成的电荷玻璃中局部电荷密度分布。
• 研究一系列具有不同几何受挫程度的有机材料，以调节系统从经典区域向量子区域的转变。
• 从拉曼光谱中提取电荷密度分布，分析其形状与宽度随受挫程度的变化。
• 进行温度依赖测量，比较经典玻璃与量子玻璃的动力学响应。
• 分析电荷密度分布的演化，以识别从双值分布到连续、窄化分布的过渡。
• 通过对比经典与量子玻璃态下温度演化模式的差异，推断能量景观特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在受挫电子玻璃中，电荷密度分布如何从经典行为演化为量子行为？
• RQ2 在真实材料中，哪些实验特征可区分经典电荷玻璃与量子电荷玻璃？
• RQ3 在电子玻璃系统中，经典到量子的过渡在何种几何受挫程度下发生？
• RQ4 经典玻璃相与量子玻璃相中，电荷密度分布的温度依赖性有何不同？
• RQ5 与经典电荷玻璃相比，量子电荷玻璃的能量景观具有何种特征？

主要发现

• 在受挫程度较低的系统中，电荷密度分布呈现双值、粒子型特征，符合经典玻璃行为的特征。
• 随着受挫程度增加，电荷密度分布变为连续且显著变窄，表明系统已过渡至量子玻璃行为。
• 经典玻璃与量子玻璃在电荷密度分布的温度演化上存在根本性差异，从而可清晰区分其能量景观。
• 所观测到的过渡是真实材料中量子电荷玻璃从经典玻璃中出现的首个直接实验证据。
• 结果表明，增加受挫程度可驱动系统从经典行为向量子行为演化，且电荷密度分布的形状与宽度发生可测量的变化。