物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)第一種可能的3D量子自旋液體

沒有已知的方法可以證明存在三維“量子自旋液體”，因此賴斯大學(xué)的物理學(xué)家及其合作者做了下一個最好的事情：他們證明了他們的燒綠鈰鈰鋯單晶具有合適的材料，可以作為第一個可能的3D尋求已久的狀態(tài)的版本。

盡管名稱如此，但量子自旋液體是一種固體材料，其中量子力學(xué)的怪異特性(糾纏)確保了類似液體的磁態(tài)。

在本周《自然物理學(xué)》上的一篇論文中，研究人員提供了大量實驗證據(jù)-包括橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的關(guān)鍵中子散射實驗和瑞士Paul Scherrer研究所(PSI)的μ子自旋弛豫實驗-支持他們的研究。例如，單晶形式的燒綠鈰鈰是第一種具有3D量子自旋液體性質(zhì)的材料。

賴斯的通訊作者，賴斯量子材料中心(RCQM)成員說：“量子自旋液體是科學(xué)家根據(jù)您看不到的東西定義的。” “您看不到旋轉(zhuǎn)排列的長距離順序。您看不到混亂。還有其他各種事情。不是這個。不是那個。沒有結(jié)論性的積極認(rèn)同。”

研究小組的樣品被認(rèn)為是同類樣品中的第一類：燒綠石由于鈰，鋯和氧的比例為2比2和7，而單晶則是因為其中的原子以連續(xù)，不間斷的方式排列格子。

戴說：“我們已經(jīng)完成了我們可以想到的關(guān)于該化合物的所有實驗。” “(研究合著者)賴斯的艾米莉亞·莫羅桑小組所做的熱容量研究表明，該材料在低至50毫ikelvin時沒有發(fā)生相變。我們非常仔細(xì)的晶體學(xué)分析表明該晶體沒有紊亂。我們進(jìn)行了μon自旋弛豫實驗表明沒有低至20毫基爾文的遠(yuǎn)距離磁階，我們進(jìn)行了衍射實驗，表明樣品沒有氧空位或其他已知缺陷;最后，我們進(jìn)行了非彈性中子散射，表明存在自旋激發(fā)連續(xù)體-可能是量子自旋液體的標(biāo)志-降至35毫基爾文。”

戴學(xué)成是物理學(xué)和天文學(xué)教授，他將研究的成功歸功于他的同事們，尤其是合著者高斌和陳彤以及合著者譚大偉。萊斯大學(xué)的博士后研究人員高在羅格斯大學(xué)合著者張相旭的實驗室中在激光浮區(qū)爐中制備了單晶樣品。童彤博士 這名學(xué)生幫助Bin在ORNL進(jìn)行了實驗，該實驗產(chǎn)生了一個自旋激發(fā)連續(xù)體，該自旋激發(fā)連續(xù)體表示產(chǎn)生短程有序的自旋糾纏，而Tam也是萊斯大學(xué)的博士學(xué)位。學(xué)生，在PSI領(lǐng)導(dǎo)了μ子自旋旋轉(zhuǎn)實驗。

盡管研究小組付出了巨大的努力，但戴說，不可能確切地說鈰鋯227是一種自旋液體，部分原因是物理學(xué)家尚未就做出聲明所必需的實驗證據(jù)達(dá)成一致，部分是因為量子自旋的定義液體是在絕對零溫度下存在的狀態(tài)，這是任何實驗都無法達(dá)到的理想狀態(tài)。

據(jù)信量子自旋液體出現(xiàn)在由磁性原子組成的固體材料中，特別是晶體排列。導(dǎo)致磁性的電子的固有特性是自旋，而電子自旋只能向上或向下指向。在大多數(shù)材料中，自旋像紙牌一樣隨機(jī)洗牌，但磁性材料卻不同。在冰箱和MRI機(jī)器上的磁鐵中，自旋感測到它們的鄰居，并將它們自己集體朝一個方向排列。物理學(xué)家稱之為“遠(yuǎn)距離鐵磁階”，而遠(yuǎn)距離磁階的另一個重要例子是反鐵磁，其中自旋共同以重復(fù)，上下，上下的模式排列。

賴斯理論物理學(xué)家和研究人員說：“在一個周期性排列自旋的固體中，如果您知道自旋在這里進(jìn)行了什么，您將知道自旋是在進(jìn)行很多次重復(fù)，因為它們的長程有序。”作者Andriy Nevidomskyy，物理學(xué)和天文學(xué)副教授，RCQM成員。“另一方面，在液體中，沒有長程順序。例如，如果看兩個相距一毫米的水分子，則沒有任何關(guān)聯(lián)。但是，由于它們的氫-氫鍵，它們?nèi)匀豢梢栽诤芏痰木嚯x內(nèi)與附近的分子形成有序排列，這將是近距離排列的一個例子。”

1973年，諾貝爾獎獲得者物理學(xué)家菲利普·安德森(Philip Anderson)提出了量子自旋液體的概念，這一認(rèn)識是基于某些晶體中原子的幾何排列可能使糾纏的自旋不可能集體地將自身定向為穩(wěn)定的排列。

正如著名科學(xué)作家菲利普·鮑爾(Philip Ball)在2017年恰當(dāng)?shù)孛枋龅哪菢樱?ldquo;想象一下一個反鐵磁體-相鄰的自旋傾向于在三角形晶格上相反地取向。每個自旋在三角形中有兩個最近的鄰居，但是不能滿足反平行排列的要求。對于所有這三者，一種可能性是自旋晶格凍結(jié)成無序的“玻璃態(tài)”，但安德森證明了量子力學(xué)甚至允許在絕對零(溫度)下使自旋波動的可能性，這種狀態(tài)稱為量子自旋液體，安德森后來提出，它可能與高溫超導(dǎo)有關(guān)。”

自1980年代以來，量子自旋液體可能解釋高溫超導(dǎo)的可能性激起了凝聚態(tài)物理學(xué)家的廣泛興趣，Nevidomskyy表示，當(dāng)“被認(rèn)為某些所謂的拓?fù)淞孔幼孕后w的例子可能適合建造時，這種興趣進(jìn)一步增加了”量子比特”。

他說：“但是我相信，有關(guān)量子自旋液體的好奇心部分在于它已在許多化身和理論建議中浮出水面。” “盡管我們擁有理論模型，但實際上我們知道結(jié)果將是自旋液體，到目前為止，找到一種能夠滿足這些特性的實際物理材料非常困難。在該領(lǐng)域尚無共識。直到現(xiàn)在，任何材料-2D或3D-都是量子自旋液體。”