首次观测到的不寻常的物质量子态

并不是每天都有人在量子物理学中遇到一种新的物质状态，量子物理学是致力于描述原子和亚原子粒子行为以阐明其性质的科学领域。 然而，这正是一个国际研究团队，其中包括蒙特利尔大学物理学教授兼魁北克大学Regroupement québécois sur les matériaux de pointe研究员Andrea Bianchi，以及他的学生Avner Fitterman和Jérémi Dudemaine所做的。 在最近发表在科学杂志《物理评论X》上的一篇文章中，研究人员记录了比安奇实验室中产生的磁性材料中的“量子自旋液体基态”：Ce2锆2O7，一种由铈、锆和氧组成的化合物。

就像液体被锁在极冷的固体里 在量子物理学中，自旋是与它们的旋转相关的电子的内部性质。正是自旋赋予磁铁中的材料其磁性。 在某些材料中，自旋导致类似于液体中分子的无序结构，因此表达“自旋液体”。 通常，随着温度的升高，材料变得更加杂乱无章。例如，当水变成蒸汽时，就是这种情况。但自旋液体的主要特征是，即使冷却到绝对零度（-273 C），它们仍然杂乱无章。 自旋液体保持杂乱无章，因为自旋方向随着材料冷却而继续波动，而不是像在传统磁铁中那样稳定在固态下，其中所有自旋都对齐。

“令人沮丧”的电子的艺术 想象一个电子是一个微小的罗盘，它要么指向上方，要么指向下方。在传统磁铁中，电子自旋都朝同一方向定向，向上或向下，产生所谓的“铁磁相”。这就是将照片和笔记固定到冰箱的原因。 但是在量子自旋液体中，电子被定位在一个三角形晶格中，并形成一个“ménage à trois”，其特征在于干扰其秩序的强烈湍流。结果是纠缠波函数，没有次序。 “当添加第三个电子时，电子自旋不能对齐，因为两个相邻的电子必须总是有相反的自旋，从而产生我们所说的挫败感，”Bianchi解释说。“这会产生激发，即使在非常低的温度下也能维持自旋的无序，从而维持液态。 那么，他们是如何添加第三个电子并引起如此沮丧的呢？

Create a ménage à trois 进入受挫的磁铁Ce2锆2O7由Bianchi在他的实验室中创建。除了他在开发超导体等先进材料方面已经取得的一长串成就之外，我们现在可以加上“令人沮丧的磁铁艺术大师”。 断续器2锆2O7是一种具有磁性的铈基材料。“这种化合物的存在是已知的，”比安奇说。“我们的突破是以一种独特的纯净形式创造它。我们使用在光学炉中熔化的样品来产生近乎完美的原子三角形排列，然后检查量子态。 正是这个近乎完美的三角形使Bianchi和他在UdeM的团队能够在Ce中产生磁性挫败感。2锆2O7.他们与麦克马斯特大学和科罗拉多州立大学，洛斯阿拉莫斯国家实验室和德国德累斯顿的马克斯普朗克复杂系统物理研究所的研究人员合作，测量了该化合物的磁扩散。 “我们的测量结果显示了重叠的粒子功能 - 因此没有布拉格峰 - 这是缺乏经典磁序的明显迹象，”Bianchi说。“我们还观察到具有连续波动方向的自旋分布，这是自旋液体和磁挫败感的特征。这表明我们创造的材料在低温下表现得像真正的自旋液体。

从梦想到现实 在用计算机模拟证实了这些观测结果之后，研究小组得出结论，他们确实目睹了一种前所未见的量子态。 “识别物质的新量子态对每个物理学家来说都是一个梦想成真，”比安奇说。“我们的材料是革命性的，因为我们是第一个证明它确实可以作为自旋液体呈现的人。这一发现可能会为设计量子计算机的新方法打开大门。

简而言之，受挫的磁铁 磁性是一种集体现象，其中材料中的电子都朝同一方向旋转。一个日常的例子是铁磁体，它的磁性归功于自旋的排列。相邻的电子也可以向相反的方向旋转。在这种情况下，自旋仍然有明确定义的方向，但没有磁化。受挫的磁铁之所以感到沮丧，是因为相邻的电子试图将它们的自旋定向到相反的方向，当它们发现自己处于三角形晶格中时，它们就不能再满足于一个共同的、稳定的排列。结果：一块受挫的磁铁。