神秘的量子自旋液体从精确生长的卡戈梅晶体中涌现出来

转载自：https://interestingengineering.com/science/quantum-spin-liquids-are-real

研究一种新型卡戈梅材料的研究人员发现了此前所见的奇异自旋行为,指出其在相关晶体之间存在一种共享的量子态。

在一些磁性材料深处,电子的行为方式似乎违背常识。它们的旋转不会像微小的指南针那样整齐地排列,而是像磁铁一样,始终保持静止,甚至在接近绝对零度时也无休止地波动。

物理学家称这种奇异态为量子自旋液体,几十年来它一直是物理学中最难以捉摸的物质阶段之一。现在,一项新研究揭示了迄今为止最明确的证据,表明这种异国情调确实存在于真实材料中。

通过研究一种具有特殊原子图案的精心制作的晶体,它们表明量子自旋液体可能并非罕见情况,而是一类材料的普遍特征。这一结果可能会改变科学家对量子物质的看法。

量子自旋液体难以证明的原因是什么

证明量子自旋液体存在的最大挑战是它们不会留下明显的指纹。在普通磁铁中,旋转形成有序的图案,便于检测。

然而,在量子自旋液体中,自旋永远不会沉淀下来,quantum entanglement其行为受深层量子纠缠作用——即粒子在分离时仍会保持关联的现象。

过去20多年来,我一直对了解量子自旋液体很感兴趣。这些是量子物质的迷人新态。原则上,它们的地态可能具有长距离量子纠缠,这在实际材料中极为罕见said,”斯坦福大学高级研究作者兼教授杨·李表示。

到目前为止,科学家们还无法确定实验中观察到的异常信号究竟是量子自旋液体的真正迹象,还是仅仅是特定物质的特点。为了解决这个问题,研究作者们将注意力集中在带有卡胶石格的材料上,这种几何结构的原子类似于相互连接的三角形图案。

这种结构会自然抑制磁序,使其成为容纳量子自旋液体的主要候选者。在以往的研究中,研究人员研究了一种名为赫伯特史密斯特的卡戈梅材料,他们在那里发现了异常的磁力激发。

然而,批评者却疑惑——这些激励是普遍的,还是唯一存在的一种化合物?

为了回答上述问题,kagome material研究人员合成了一种名为Zn-巴洛特的不同卡戈梅材料的高质量单晶。制造这种晶体虽然困难,但至关重要,因为干净、有序的样品能够精确测量。

研究人员将晶体冷却到极低的温度,以观察其最低能量或地面状态。然后,他们利用高分辨率的不弹性中子散射将中子发射到材料中。

中子是理想的探针,因为它们能够深入进入晶体,并直接与电子的自旋相互作用。通过分析中子的分布过程,科学家们可以观察自旋在空间间之间的关联程度,以及它们随时间波动的变化。

他们发现的东西令人震惊。这些兴奋剂不再像传统的磁波那样表现为磁体,而是分解成更小的碎片,spinons称为棘子。李表示:“我们的测量结果表明,卡戈梅自旋的根本激发方式以‘旋转’的形式出现,这些旋转是典型“磁力”激发的分层部分。

研究人员认为,这种情况只有在强量子纠缠的系统中才能发生。更引人注目的是,Zn-barlowite 中的脊柱行为与团队此前在 herbertsmithite 中所看到的内容相近。

这一发现表明,这两种材料都具有相同的底层量子自旋液态,指向的是一种普遍现象,而非孤立的实例。

这项工作标志着在凝聚态物理领域实现长期目标的重要一步,real material即就至少一种真正具有量子自旋流体基态的真实材料达成广泛共识。

通过证明两种不同的卡戈梅物质表现出相同的奇异刺激,并表明这些观测结果与理论相符,从而强化了量子自旋液体是物质真实而强健的阶段。

从长远来看,这些国家可能会产生深远影响。例如,量子自旋液体自然具有长距离量子纠缠,是量子计算、安全信息存储及其他量子技术的关键要素。

然而,实际应用仍然遥遥无期。一个主要局限性是,科学家目前缺乏用于测量固体材料内部量子纠缠的直接工具。希望进一步的研究能够克服这一长期存在的挑战。