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科学家首次在实验室观察到“量子自旋液体”的状态

物理学家Andrea Bianchi在其实验室创造的一种磁性材料中观察到了“量子自旋液体”状态。不是每天都有人在量子物理学中发现一种新的物质状态,量子物理学是专门用来描述原子和亚原子粒子的行为的,以此来了解其特性的科学领域。

而这正是一个国际研究小组所做的事情。据悉,该团队包括蒙特利尔大学物理学教授、魁北克物质研究组研究员Andrea Bianchi及他的学生Avner Fitterman和Jérémi Dudemaine。

科学家们在最近发表在科学杂志《Physical Review X》上的一篇文章中指出,他们在Bianchi实验室创造的一种磁性材料中记录了一种“量子自旋液体基态”:Ce2Zr2O7,一种由铈、锆和氧组成的化合物。

就像锁在极冷固体中的液体

在量子物理学中,自旋是电子的一种内部属性,这跟它们的旋转有关。正是自旋使磁铁中的材料具有磁性。

在一些材料中,自旋诱发了一种类似于液体中分子的无序结构,因此也就有了“自旋液体”的说法。

一般来说,一种材料随着温度的升高而变得更加无序。如当水变成蒸汽时就是这种情况。但自旋液体的主要特点是,即使冷却到绝对零度,它们仍然是无组织的。

自旋液体之所以仍是无组织的是因为自旋的方向会随着材料的冷却而继续波动,而不是像传统的磁体那样稳定在固态。据了解,在传统的磁体中,所有的自旋是对齐的。

“挫折”电子的艺术

想象一下,电子是一个微小的指南针,要么向上要么向下。在传统的磁铁中,电子的自旋都朝向同一个方向,向上或向下,并形成所谓的“铁磁相”。这就是能让照片和笔记钉在你冰箱门上的原因。

但在量子自旋液体中,电子被安置在一个三角形的晶格中并形成一个“三人行”的状态,其特征是强烈的湍流干扰了它们的秩序。而得到的结果是一个纠缠的波函数和没有磁秩序。

“当第三个电子加入时,电子的自旋不能对齐,因为两个相邻的电子必须总是有相反的自旋,这就产生了我们所说的磁挫折,”Bianchi解说道,“这就产生了激发进而保持了自旋的无序性并保持了液态,即使是在非常低的温度下。”

那么,它们是如何增加第三个电子并导致这种挫折的发生呢?

创造一个“三人行”

Ce2Zr2O7是一种具有磁性的铈基材料。“这种化合物的存在是已知的,,我们的突破是以一种独特的纯净形式创造它。我们使用在光学炉中熔化的样品来产生一个近乎完美的三角形原子排列,然后检查量子状态,”Bianchi说道。

正是这种近乎完美的三角形使Bianchi和他在德克萨斯大学的团队能在Ce2Zr2O7中创造出磁挫折。他们通过跟麦克马斯特大学和科罗拉多州立大学、洛斯阿拉莫斯国家实验室以及德国德累斯顿马克斯-普朗克复杂系统物理研究所的研究人员的合作测量出了该化合物的磁扩散。

Bianchi表示,他们的测量显示了一个重叠的粒子函数–因此没有布拉格峰–这是一个没有经典磁秩序的明显迹象,“我们还观察到一个具有连续波动方向的自旋分布,这是自旋液体和磁挫折的特征。这表明我们创造的材料在低温下表现得像一个真正的自旋液体。”

从梦想到现实

在用计算机模拟证实了这些观察结果后,研究小组得出结论,他们确实是在见证一种从未见过的量子状态。

Bianchi说道:“确定一种新的物质量子态是每一个物理学家的梦想成真。我们的材料是革命性的,因为我们是第一个表明它确实可以呈现为自旋液体。这一发现可以为设计量子计算机的新方法打开大门。”

授挫磁铁

磁性是一种集体现象,其中材料中的电子都向同一方向旋转。一个日常的例子是铁磁体,它的磁性归功于自旋的排列。相邻的电子也可以向相反的方向旋转。在这种情况下,自旋仍有明确的方向但没有磁化。授挫磁铁之所以受挫,是因为相邻的电子试图将它们的自旋定向到相反的方向,而当它们发现自己处于一个三角形的晶格中时它们就无法再在一个共同的、稳定的排列上定居下来。由此得到的结果是:授挫磁铁。

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