來自東京工業(yè)大學(xué)和橫濱國立大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：自旋微擾穿過量子自旋液體系統(tǒng)看似無法通過區(qū)域的特殊機(jī)制，這一新見解可能代表著下一代電子學(xué)甚至量子計(jì)算機(jī)的另一塊基石。

目前電子設(shè)備已經(jīng)接近理論極限，這意味著將需要全新技術(shù)來獲得更好的性能和更高的小型化。問題是，現(xiàn)代電子學(xué)以操縱電流為中心，因此主要關(guān)注運(yùn)動(dòng)電子的集體電荷。

但是，如果信號(hào)和數(shù)據(jù)能夠以更有效的方式編碼和發(fā)送，情況會(huì)怎樣呢？進(jìn)入自旋電子學(xué)，這是一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域，旨在給電子學(xué)帶來革命性的變化，并有望成為量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵參與者。在自旋電子器件中，電子最重要的特征是自旋，這是一種本征性質(zhì)，可以廣泛地視為它們的角動(dòng)量，這也是固體中磁現(xiàn)象的根本原因。然而，世界各地物理學(xué)家都在努力尋找通過材料產(chǎn)生和傳輸“自旋數(shù)據(jù)包”的實(shí)用方法。

在最新的一項(xiàng)研究中，日本東京工業(yè)大學(xué)和橫濱國立大學(xué)科學(xué)家們對(duì)一種名為Kitaev模型的特殊系統(tǒng)的特殊自旋輸運(yùn)特性進(jìn)行了理論分析。這個(gè)二維模型包括一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，其中每個(gè)頂點(diǎn)都有一個(gè)自旋。Kitaev系統(tǒng)的特別之處在于，由于自旋之間的特殊相互作用，它表現(xiàn)為量子自旋液體(QSL)。這大體上意味著，在這個(gè)系統(tǒng)中：“旋轉(zhuǎn)不可能以獨(dú)特的最佳方式安排，讓每一個(gè)旋轉(zhuǎn)都保持愉快”。

這種現(xiàn)象被稱為自旋受挫，導(dǎo)致自旋的行為特別無序。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的古賀明久(Akihisa Koga)教授說：基塔耶夫模型是研究量子自旋液體的一個(gè)有趣游樂場，然而對(duì)它有趣的自旋輸運(yùn)特性知之甚少?；蚰Ｐ偷囊粋€(gè)重要特征是它具有局域?qū)ΨQ性；這種對(duì)稱性意味著自旋只與其近鄰相關(guān)，而不與遙遠(yuǎn)的自旋相關(guān)，因此意味著自旋輸運(yùn)應(yīng)該有一個(gè)勢壘。然而，在現(xiàn)實(shí)中，Kitaev系統(tǒng)一側(cè)的微小磁擾動(dòng)確實(shí)表現(xiàn)為相反邊緣的自旋變化：

即使這些擾動(dòng)似乎不會(huì)導(dǎo)致材料中心更對(duì)稱區(qū)域的磁化發(fā)生任何變化。在基塔耶夫系統(tǒng)的一個(gè)邊緣上，微小磁擾動(dòng)確實(shí)表現(xiàn)為相反邊緣的自旋的變化，即使這些擾動(dòng)似乎不會(huì)導(dǎo)致材料中心更對(duì)稱區(qū)域的磁化強(qiáng)度發(fā)生任何變化。這一耐人尋味的機(jī)制是科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在研究中闡明的，其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上。研究在Kitaev QSL的一側(cè)施加脈沖磁場來觸發(fā)自旋數(shù)據(jù)包傳輸，并對(duì)隨后展開的實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

結(jié)果表明，磁擾動(dòng)是通過行進(jìn)的馬約拉納費(fèi)米子穿過物質(zhì)中心區(qū)域。這些是準(zhǔn)粒子；它們不是真正的粒子，而是系統(tǒng)集體行為的精確近似。值得注意的是，馬約拉納費(fèi)米子介導(dǎo)的自旋輸運(yùn)，不能用經(jīng)典的自旋波理論來解釋，因此需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。但研究人員對(duì)這項(xiàng)研究成果的應(yīng)用潛力抱有希望：理論結(jié)果也應(yīng)該與真實(shí)材料相關(guān)，研究設(shè)置可以在Kitaev系統(tǒng)的某些候選材料上物理實(shí)現(xiàn)。

研究討論了可能的物質(zhì)，創(chuàng)造自旋擾動(dòng)的方法，以及尋找馬約拉納費(fèi)米子穿過物質(zhì)主體到達(dá)另一邊證據(jù)的實(shí)驗(yàn)方法，甚至有可能控制系統(tǒng)中靜止的馬約拉納費(fèi)米子費(fèi)米子運(yùn)動(dòng)。

博科園｜研究/來自：東京工業(yè)大學(xué)

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.047204

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