量子自旋液体基态首次观测到了

深蓝色的畅想

由来自美国、德国和加拿大的科学家组成的国际科研团队在最新一期《物理评论X》杂志上撰文称，他们在磁性材料Ce2Zr2O7上首次观测到了“量子自旋液体基态”，最新研究有望为量子计算机设计开辟新方向。

自旋是电子拥有的与旋转有关的内部特性，正是自旋使磁铁内的材料具有磁性。在某些材料内，自旋会导致结构紊乱，类似于液体中的分子，因此有“自旋液体”这一说法。自旋液体的主要特征是，即使冷却到绝对零度（零下273摄氏度），它们仍保持无序状态，这是因为随着材料冷却，自旋方向持续波动，而非像传统磁铁那样在固态中稳定下来（在传统磁铁内，所有自旋都是对齐的）。

研究人员解释称，把一个电子想象成一个指向上或下的小指南针。在传统磁铁中，电子自旋都指向同一个方向，向上或向下，形成所谓的“铁磁相”。但在量子自旋液体内，电子置于一个三角形晶格中，形成三角形，其特征是强烈的湍流干扰了它们的顺序，结果是一个纠缠波函数，没有磁序。

最新研究负责人、蒙特利尔大学物理学教授安德里亚·比安奇解释说：“当添加第三个电子时，电子自旋无法对齐，因为两个相邻电子的自旋相反，这就产生了我们所说的磁阻挫。而这种基态这会产生激发，即使在非常低的温度下，也能维持自旋的无序，从而维持液态。”

比安奇表示，Ce2Zr2O7是一种具有磁性的铈基材料，此前科学家已经制造出了这种化合物，新研究是以一种独特的纯净形式制造它，他们使用在光学炉中熔化的样品制造出了近乎完美的三角形原子排列，然后检查量子态。结果表明，正是这个近乎完美的三角形，使他们在Ce2Zr2O7中制造出了磁阻挫。

比安奇说：“我们的测量结果显示，粒子函数重叠，因此没有经典磁序的明显迹象。此外，我们还观察到自旋方向不断波动的分布，这是自旋液体和磁阻挫的特征，这表明我们所创造的材料在低温下表现得像真正的自旋液体。”

在通过计算机模拟证实这些观察结果后，研究小组得出结论，他们确实观测到了一种前所未见的量子态——量子自旋液体基态。