科学家首次观测到量子自旋液体基态，或可开发新型量子计算机

近日，科学家首次观测到物质的一种新量子态。

来自加拿大蒙特利尔大学的团队在一种磁性材料——由铈、锆和氧组成的化合物Ce2Zr2O7中，观察到一种“量子自旋液体基态”。相关成果发表在《物理评论X》(Physical Review X)。

图片来自《物理评论X》(Physical Review X)

量子物理学是一门致力于描述原子和亚原子粒子行为，并阐明其特性的科学学科。在量子物理学领域，科学家会发现新的物质状态。

自旋是一种与电子旋转有关的内部属性，并使磁体中的材料具有磁性。但在一些材料中，自旋会导致无序结构，类似于液体中的分子，因此有了“自旋液体”的说法。

一般来说，随着温度升高，材料的内部结构会变得更加紊乱。例如，当水变成水蒸汽。而自旋液体的主要特点为，即使冷却到绝对零度(-273°C)，它们依然是无序的。因为随着材料冷却，自旋方向持续波动，并非像传统磁体那样稳定在固态（一般在这样的固态下，所有自旋方向都是对齐的）。

如果把电子想象成一个小型指南针，它可以指向上方或下方。在传统磁体中，电子自旋的方向都是相同的，向上或向下，形成所谓的“铁磁性”，比如磁铁可以将照片和便条“贴”在冰箱上。

图片来自论文

但在量子自旋液体中，电子被放置在一个三角形晶格中，形成一个“三角关系”，其特征是强烈的扰动干扰了其顺序，形成了无磁序的纠缠波函数。

“当加入第三个电子时，电子的自旋方向不能对齐，因为相邻的两个电子的自旋方向总是相反的，导致了我们所说的磁阻挫。这产生了能保持自旋无序的激发，因此即使在非常低的温度下也能保持自旋液体的特征。”加拿大蒙特利尔大学物理学教授Andrea Bianchi说道，“Ce2Zr2O7是一种具有磁性的铈基材料，这一化合物是已知的存在。我们的突破在于创造了一种独特的纯粹形态，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，然后检测其量子态。”

前述三角形排列使科学家能够在Ce2Zr2O7材料中制造磁阻挫，并测量出这种化合物的磁扩散。

Bianchi表示，“我们的测量显示了重叠的粒子函数，因此没有古典磁序的明显迹象。我们还观察到具有连续波动方向的自旋分布，这是自旋液体和磁阻挫的特征，表明我们创造的材料在低温下的表现正如自旋液体。”

利用计算机模拟验证前述观测结果后，该团队证实他们观测到了一种新的量子态。

“确定物质的一种新量子态是每个物理学家的梦想。”Bianchi认为，团队研发的材料具有革命性，被首次证明是以自旋液体的形式存在。“这一发现可能为设计量子计算机的新方法打开大门。”