量子自旋液體基態首次觀測到了

科技日報北京5月12日電 （記者劉霞）由來自美國、德國和加拿大的科學家組成的國際科研團隊在最新一期《物理評論X》雜誌上撰文稱，他們在磁性材料Ce2Zr2O7上首次觀測到了“量子自旋液體基態”，最新研究有望為量子計算機設計開闢新方向。

自旋是電子擁有的與旋轉有關的內部特性，正是自旋使磁鐵內的材料具有磁性。在某些材料內，自旋會導致結構紊亂，類似於液體中的分子，因此有“自旋液體”這一説法。自旋液體的主要特徵是，即使冷卻到絕對零度（零下273攝氏度），它們仍保持無序狀態，這是因為隨着材料冷卻，自旋方向持續波動，而非像傳統磁鐵那樣在固態中穩定下來（在傳統磁鐵內，所有自旋都是對齊的）。

研究人員解釋稱，把一個電子想象成一個指向上或下的小指南針。在傳統磁鐵中，電子自旋都指向同一個方向，向上或向下，形成所謂的“鐵磁相”。但在量子自旋液體內，電子置於一個三角形晶格中，形成三角形，其特徵是強烈的湍流乾擾了它們的順序，結果是一個糾纏波函數，沒有磁序。

最新研究負責人、蒙特利爾大學物理學教授安德里亞·比安奇解釋説：“當添加第三個電子時，電子自旋無法對齊，因為兩個相鄰電子的自旋相反，這就產生了我們所説的磁阻挫。而這種基態這會產生激發，即使在非常低的温度下，也能維持自旋的無序，從而維持液態。”

比安奇表示，Ce2Zr2O7是一種具有磁性的鈰基材料，此前科學家已經制造出了這種化合物，新研究是以一種獨特的純淨形式製造它，他們使用在光學爐中熔化的樣品製造出了近乎完美的三角形原子排列，然後檢查量子態。結果表明，正是這個近乎完美的三角形，使他們在Ce2Zr2O7中製造出了磁阻挫。

比安奇説：“我們的測量結果顯示，粒子函數重疊，因此沒有經典磁序的明顯跡象。此外，我們還觀察到自旋方向不斷波動的分佈，這是自旋液體和磁阻挫的特徵，這表明我們所創造的材料在低温下表現得像真正的自旋液體。”

在通過計算機模擬證實這些觀察結果後，研究小組得出結論，他們確實觀測到了一種前所未見的量子態——量子自旋液體基態。