存在于绝对零度状态！首次发现：可能的三维量子自旋液体

截止目前还没有一种已知的方法来证明三维“量子自旋液体”存在，现在莱斯大学物理学家和合作者研究表明：铈锆焦氯酸盐单晶是合适的材料，可以作为长期寻找物质状态的第一个三维版本。量子自旋液体是一种固体材料，尽管名字不同，其中量子力学奇特性质（纠缠）确保了液体般的磁性状态。现在在发表于《自然物理》的一篇研究论文中，研究人员提供了大量的实验证据。

包括橡树岭国家实验室(ORNL)的关键中子散射实验和瑞士保罗•舍勒研究所(PSI)的介子自旋弛松性实验来支持本研究观点：即铈锆焦氯酸盐单晶是第一个具备三维量子自旋液体资格的材料。莱斯大学量子材料中心(RCQM)成员、该研究的通讯作者戴鹏程（音译）说：量子自旋液体是科学家根据我们看不到的东西来定义。在旋转的排列中，看不到长程的顺序。也看不到混乱，以及其他各种各样的东西。本研究样本被认为是同类样本中的第一个：因为铈、锆和氧的比例是2比7。

单晶因为其中的原子排列在一个连续、不间断的晶格中。对这种化合物做了能想到的所有实验，证明这种材料在50毫开尔文以下不经历相变。研究做了非常仔细的晶体学来表明晶体中没有无序，还做了介子自旋弛豫实验，结果表明，在20毫开尔文以下的范围内，没有长程磁序；同时也做了衍射实验，结果表明，样品没有氧空位或其他已知缺陷。最后做了非弹性中子散射，结果显示自旋激发连续体存在（这可能是一个量子自旋液体hallmark）低至35毫开尔文。

可能的三维量子自旋液体

这些实验产生了一个自旋激发连续体，表明存在产生短程有序的自旋纠缠。尽管研究小组做出了努力，但不能确切地说铈锆227是一种自旋液体，部分原因是物理学家还没有就发表声明所需的实验证据达成一致，部分原因是量子自旋液体的定义是一种存在于绝对零度的状态，是任何实验都无法达到的理想状态。量子自旋液体被认为存在于由磁性原子组成的固体材料中，特别是晶体结构。导致磁性的电子固有性质是自旋，而电子自旋只能指向上或下。

在大多数材料中，自旋像一副纸牌一样随机打乱，但磁性材料不同。在冰箱和核磁共振成像仪内部的磁铁中，自旋感应到它们的邻居，并将它们集中在一个方向上。物理学家称之为“长程铁磁序”，另一个长程铁磁序的重要例子是反铁磁性，它的自旋以一种重复上下上下的模式排列。莱斯理论物理学家、该研究的合著者、物理学和天文学副教授、RCQM成员安德里·纳索洛姆斯基(Andriy n循谱斯基)说：在具有周期性自旋排列的固体中，如果知道一个自旋在这里做什么

就能知道另一个自旋在做什么，由于长期的顺序，可以知道一个自旋在做很多很多次重复。另一方面，在液体中，没有长期秩序。例如，如果观察两个相隔一毫米的水分子，就会发现它们之间没有任何关联。然而，由于它们的氢键，仍然可以在很短的距离内与附近分子有序排列，这将是短程有序的一个例子。1973年，诺贝尔奖得主物理学家 菲利普·沃伦·安德森 提出了量子自旋液体的概念，他认识到，某些晶体中原子的几何排列，可能使纠缠自旋不可能以稳定的排列集体定向。

正如著名科学作家Philip Ball描述的那样：想象一个反铁磁（相邻的自旋倾向于相反方向）在一个三角形晶格上，每个自旋在一个三角形中都有两个相距最短的邻域，但是反平行对齐不能满足所有这三个。一种可能性是自旋晶格冻结成无序的“玻璃态”，但，量子力学甚至允许在绝对零度(温度)下也存在自旋波动的可能性。这种状态被称为量子自旋液体，安德森后来提出，这可能与高温超导有关。自20世纪80年代以来，量子自旋液体可能解释高温超导，引起了凝聚态物理学家的广泛兴趣。

参考期刊《自然物理》

DOI: 10.1038/s41567-019-0577-6

博科园｜科学、科技、科研、科普