物理学家首次发现潜在三维量子自旋液体学术资讯

在铈锆焦绿石单晶样品中观察到的三维自旋激发连续体，可能是量子自旋液体的重要特征之一。

目前，还没有已知的方法可以证明三维“量子自旋液体”的存在，因此，物理学家们采用了“迂回”的策略来解答这个难题。phys.org网站7月15日报道，美国莱斯大学的科学家及其合作方在《自然•物理学》杂志发文称，他们在铈锆焦绿石单晶样品中观察到的三维自旋激发连续体，可能是量子自旋液体的重要特征之一。

量子自旋液体可能显得有点“名不副实”，它其实是一种固体材料，奇特的量子纠缠作用使其具备了液体般的磁性状态。研究人员利用美国橡树岭国家实验室（ORNL）的中子散射实验和瑞士保罗谢勒研究所（PSI）的介子自旋弛豫实验佐证了他们的结论：铈锆焦绿石单晶可能是一种三维量子液体。莱斯大学量子材料中心（RCQM）研究人员、论文作者Pengcheng Dai说：“量子自旋液体是科学家根据人们肉眼看不到的东西来定义的。在自旋排列中，你既无法看到长程有序、也无法看到无序等其它情况。”

Dai等对铈锆227的单晶做了非常详细的表征分析。他说：“我们对铈锆单晶做了几乎所有能想到的表征实验。例如，合作方Emilia Morosan团队进行了单晶热容实验，证明其在50毫开尔文左右不会经历相变过程。我们仔细分析了晶体的晶体学参数，证实晶体中不存在无序现象。通过介子自旋弛豫实验，我们发现样品在20毫开尔文左右无长程磁序。衍射实验结果表明，样品中午氧空位或其他缺陷。最后，我们利用非弹性中子散射实验发现了自旋激发的连续体（35毫开尔文）。这可能是量子自旋液体的特征之一。”

尽管研究团队付出了巨大努力，Dai仍然表示不能明确地称铈锆227是一种量子自旋液体。其原因在于：（1）物理学家们尚未就实验证实量子自旋液体达成一致意见；（2）量子自旋液体是针对理想的绝对零度下定义的，现实中暂时无法达到这个条件。莱斯大学理论物理学家、RCQM研究人员、论文作者Andriy Nevidomskyy表示：“对于具备自旋周期性的固体，研究人员可以根据长程有序特征判断两个相距甚远的自旋态的情况。在不具备长程有序的液体中，你可能认为两个即便相距仅一毫米的水分子也是没有任何关联的。然而，受氢键作用，水分子仍然可能具备短程有序的性质。”

随着量子自旋液体研究的高速发展，它在解释高温超导方面的巨大潜质吸引了凝聚态物理学家们的广泛关注。Nevidomskyy认为，随着量子自旋液体用于量子运算的研究的兴起，量子自旋液体受到的关注可能会进一步剧增。他说：“尽管我们已经有了很多理论模型，但发现一种满足假设并实际存在的物理材料是非常困难的。还有很多工作亟待我们去完善。”

科界原创

编译：雷鑫宇

审稿：alone

责编：唐林芳

期刊来源：《自然•物理学》

期刊编号：1745-2473

原文链接：

https://phys.org/news/2019-07-physicists-d-quantum-liquid.html