截止目前還沒有一種已知的方法來證明三維“量子自旋液體”存在，現(xiàn)在萊斯大學(xué)物理學(xué)家和合作者研究表明：鈰鋯焦氯酸鹽單晶是合適的材料，可以作為長期尋找物質(zhì)狀態(tài)的第一個三維版本。

量子自旋液體是一種固體材料，盡管名字不同，其中量子力學(xué)奇特性質(zhì)（糾纏）確保了液體般的磁性狀態(tài)?，F(xiàn)在在發(fā)表于《自然物理》的一篇研究論文中，研究人員提供了大量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

包括橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的關(guān)鍵中子散射實(shí)驗(yàn)和瑞士保羅?舍勒研究所(PSI)的介子自旋弛松性實(shí)驗(yàn)來支持本研究觀點(diǎn)：即鈰鋯焦氯酸鹽單晶是第一個具備三維量子自旋液體資格的材料。萊斯大學(xué)量子材料中心(RCQM)成員、該研究的通訊作者戴鵬程（音譯）說：量子自旋液體是科學(xué)家根據(jù)我們看不到的東西來定義。在旋轉(zhuǎn)的排列中，看不到長程的順序。也看不到混亂，以及其他各種各樣的東西。本研究樣本被認(rèn)為是同類樣本中的第一個：因?yàn)殁?、鋯和氧的比例?比7。

單晶因?yàn)槠渲械脑优帕性谝粋€連續(xù)、不間斷的晶格中。對這種化合物做了能想到的所有實(shí)驗(yàn)，證明這種材料在50毫開爾文以下不經(jīng)歷相變。研究做了非常仔細(xì)的晶體學(xué)來表明晶體中沒有無序，還做了介子自旋弛豫實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在20毫開爾文以下的范圍內(nèi)，沒有長程磁序；同時也做了衍射實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，樣品沒有氧空位或其他已知缺陷。最后做了非彈性中子散射，結(jié)果顯示自旋激發(fā)連續(xù)體存在（這可能是一個量子自旋液體hallmark）低至35毫開爾文。

可能的三維量子自旋液體

這些實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了一個自旋激發(fā)連續(xù)體，表明存在產(chǎn)生短程有序的自旋糾纏。盡管研究小組做出了努力，但不能確切地說鈰鋯227是一種自旋液體，部分原因是物理學(xué)家還沒有就發(fā)表聲明所需的實(shí)驗(yàn)證據(jù)達(dá)成一致，部分原因是量子自旋液體的定義是一種存在于絕對零度的狀態(tài)，是任何實(shí)驗(yàn)都無法達(dá)到的理想狀態(tài)。量子自旋液體被認(rèn)為存在于由磁性原子組成的固體材料中，特別是晶體結(jié)構(gòu)。導(dǎo)致磁性的電子固有性質(zhì)是自旋，而電子自旋只能指向上或下。

在大多數(shù)材料中，自旋像一副紙牌一樣隨機(jī)打亂，但磁性材料不同。在冰箱和核磁共振成像儀內(nèi)部的磁鐵中，自旋感應(yīng)到它們的鄰居，并將它們集中在一個方向上。物理學(xué)家稱之為“長程鐵磁序”，另一個長程鐵磁序的重要例子是反鐵磁性，它的自旋以一種重復(fù)上下上下的模式排列。萊斯理論物理學(xué)家、該研究的合著者、物理學(xué)和天文學(xué)副教授、RCQM成員安德里·納索洛姆斯基(Andriy n循譜斯基)說：在具有周期性自旋排列的固體中，如果知道一個自旋在這里做什么

就能知道另一個自旋在做什么，由于長期的順序，可以知道一個自旋在做很多很多次重復(fù)。另一方面，在液體中，沒有長期秩序。例如，如果觀察兩個相隔一毫米的水分子，就會發(fā)現(xiàn)它們之間沒有任何關(guān)聯(lián)。然而，由于它們的氫鍵，仍然可以在很短的距離內(nèi)與附近分子有序排列，這將是短程有序的一個例子。1973年，諾貝爾獎得主物理學(xué)家?菲利普·沃倫·安德森?提出了量子自旋液體的概念，他認(rèn)識到，某些晶體中原子的幾何排列，可能使糾纏自旋不可能以穩(wěn)定的排列集體定向。

正如著名科學(xué)作家Philip Ball描述的那樣：想象一個反鐵磁（相鄰的自旋傾向于相反方向）在一個三角形晶格上，每個自旋在一個三角形中都有兩個相距最短的鄰域，但是反平行對齊不能滿足所有這三個。一種可能性是自旋晶格凍結(jié)成無序的“玻璃態(tài)”，但，量子力學(xué)甚至允許在絕對零度(溫度)下也存在自旋波動的可能性。這種狀態(tài)被稱為量子自旋液體，安德森后來提出，這可能與高溫超導(dǎo)有關(guān)。自20世紀(jì)80年代以來，量子自旋液體可能解釋高溫超導(dǎo)，引起了凝聚態(tài)物理學(xué)家的廣泛興趣。

一些所謂拓?fù)淞孔幼孕后w的例子，可能有助于構(gòu)建量子計算的量子位，這進(jìn)一步提高了人們的興趣。但研究人員相信，人們對量子自旋液體的好奇部分在于，它已經(jīng)以許多形式和理論建議重新出現(xiàn)。盡管有現(xiàn)有理論模型，我們知道，事實(shí)上，結(jié)果將是一種自旋液體，但迄今為止，發(fā)現(xiàn)一種能夠?qū)崿F(xiàn)這些特性的實(shí)際物理材料非常困難。到目前為止，該領(lǐng)域還沒有達(dá)成共識，即任何物質(zhì)（二維或三維）都是量子自旋液體。

博科園｜研究/來自：萊斯大學(xué)

參考期刊《自然物理》

DOI: 10.1038/s41567-019-0577-6

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