物理學(xué)家Andrea Bianchi在其實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造的一種磁性材料中觀察到了“量子自旋液體”狀態(tài),。不是每天都有人在量子物理學(xué)中發(fā)現(xiàn)一種新的物質(zhì)狀態(tài)，量子物理學(xué)是專門(mén)用來(lái)描述原子和亞原子粒子的行為的,，以此來(lái)了解其特性的科學(xué)領(lǐng)域,。

而這正是一個(gè)國(guó)際研究小組所做的事情。據(jù)悉,，該團(tuán)隊(duì)包括蒙特利爾大學(xué)物理學(xué)教授,、魁北克物質(zhì)研究組研究員Andrea Bianchi及他的學(xué)生Avner Fitterman和Jérémi Dudemaine。

科學(xué)家們?cè)谧罱l(fā)表在科學(xué)雜志《Physical Review X》上的一篇文章中指出,，他們?cè)贐ianchi實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造的一種磁性材料中記錄了一種“量子自旋液體基態(tài)”：Ce₂Zr₂O₇,，一種由鈰、鋯和氧組成的化合物,。

就像鎖在極冷固體中的液體

在量子物理學(xué)中,，自旋是電子的一種內(nèi)部屬性，這跟它們的旋轉(zhuǎn)有關(guān),。正是自旋使磁鐵中的材料具有磁性,。

在一些材料中，自旋誘發(fā)了一種類似于液體中分子的無(wú)序結(jié)構(gòu),，因此也就有了“自旋液體”的說(shuō)法,。

一般來(lái)說(shuō)，一種材料隨著溫度的升高而變得更加無(wú)序,。如當(dāng)水變成蒸汽時(shí)就是這種情況,。但自旋液體的主要特點(diǎn)是，即使冷卻到絕對(duì)零度,，它們?nèi)匀皇菬o(wú)組織的,。

自旋液體之所以仍是無(wú)組織的是因?yàn)樽孕姆较驎?huì)隨著材料的冷卻而繼續(xù)波動(dòng)，而不是像傳統(tǒng)的磁體那樣穩(wěn)定在固態(tài),。據(jù)了解,，在傳統(tǒng)的磁體中，所有的自旋是對(duì)齊的,。

“挫折”電子的藝術(shù)

想象一下,，電子是一個(gè)微小的指南針,，要么向上要么向下。在傳統(tǒng)的磁鐵中,，電子的自旋都朝向同一個(gè)方向,，向上或向下，并形成所謂的“鐵磁相”,。這就是能讓照片和筆記釘在你冰箱門(mén)上的原因,。

但在量子自旋液體中，電子被安置在一個(gè)三角形的晶格中并形成一個(gè)“三人行”的狀態(tài),，其特征是強(qiáng)烈的湍流干擾了它們的秩序,。而得到的結(jié)果是一個(gè)糾纏的波函數(shù)和沒(méi)有磁秩序。

“當(dāng)?shù)谌齻€(gè)電子加入時(shí),，電子的自旋不能對(duì)齊,，因?yàn)閮蓚€(gè)相鄰的電子必須總是有相反的自旋，這就產(chǎn)生了我們所說(shuō)的磁挫折,，”Bianchi解說(shuō)道,，“這就產(chǎn)生了激發(fā)進(jìn)而保持了自旋的無(wú)序性并保持了液態(tài)，即使是在非常低的溫度下,?！?/p>

那么，它們是如何增加第三個(gè)電子并導(dǎo)致這種挫折的發(fā)生呢,？

創(chuàng)造一個(gè)“三人行”

Ce₂Zr₂O₇是一種具有磁性的鈰基材料,。“這種化合物的存在是已知的,，,，我們的突破是以一種獨(dú)特的純凈形式創(chuàng)造它。我們使用在光學(xué)爐中熔化的樣品來(lái)產(chǎn)生一個(gè)近乎完美的三角形原子排列,，然后檢查量子狀態(tài),，”Bianchi說(shuō)道。

正是這種近乎完美的三角形使Bianchi和他在德克薩斯大學(xué)的團(tuán)隊(duì)能在Ce₂Zr₂O₇中創(chuàng)造出磁挫折,。他們通過(guò)跟麥克馬斯特大學(xué)和科羅拉多州立大學(xué),、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及德國(guó)德累斯頓馬克斯-普朗克復(fù)雜系統(tǒng)物理研究所的研究人員的合作測(cè)量出了該化合物的磁擴(kuò)散。

Bianchi表示,，他們的測(cè)量顯示了一個(gè)重疊的粒子函數(shù)--因此沒(méi)有布拉格峰--這是一個(gè)沒(méi)有經(jīng)典磁秩序的明顯跡象，“我們還觀察到一個(gè)具有連續(xù)波動(dòng)方向的自旋分布,，這是自旋液體和磁挫折的特征,。這表明我們創(chuàng)造的材料在低溫下表現(xiàn)得像一個(gè)真正的自旋液體?！?/p>

從夢(mèng)想到現(xiàn)實(shí)

在用計(jì)算機(jī)模擬證實(shí)了這些觀察結(jié)果后,，研究小組得出結(jié)論,，他們確實(shí)是在見(jiàn)證一種從未見(jiàn)過(guò)的量子狀態(tài)。

Bianchi說(shuō)道：“確定一種新的物質(zhì)量子態(tài)是每一個(gè)物理學(xué)家的夢(mèng)想成真,。我們的材料是革命性的,，因?yàn)槲覀兪堑谝粋€(gè)表明它確實(shí)可以呈現(xiàn)為自旋液體。這一發(fā)現(xiàn)可以為設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)的新方法打開(kāi)大門(mén),?！?/p>

授挫磁鐵

磁性是一種集體現(xiàn)象，其中材料中的電子都向同一方向旋轉(zhuǎn),。一個(gè)日常的例子是鐵磁體,，它的磁性歸功于自旋的排列。相鄰的電子也可以向相反的方向旋轉(zhuǎn),。在這種情況下,，自旋仍有明確的方向但沒(méi)有磁化。授挫磁鐵之所以受挫,，是因?yàn)橄噜彽碾娮釉噲D將它們的自旋定向到相反的方向,，而當(dāng)它們發(fā)現(xiàn)自己處于一個(gè)三角形的晶格中時(shí)它們就無(wú)法再在一個(gè)共同的、穩(wěn)定的排列上定居下來(lái),。由此得到的結(jié)果是：授挫磁鐵,。