物理學家Andrea Bianchi在其實驗室創造的一種磁性材料中觀察到了“量子自旋液體”狀態。不是每天都有人在量子物理學中發現一種新的物質狀態，量子物理學是專門用來描述原子和亞原子粒子的行為的，以此來了解其特性的科學領域。

而這正是一個國際研究小組所做的事情。據悉，該團隊包括蒙特利爾大學物理學教授、魁北克物質研究組研究員Andrea Bianchi及他的學生Avner Fitterman和Jérémi Dudemaine。

科學家們在最近發表在科學雜誌《Physical Review X》上的一篇文章中指出，他們在Bianchi實驗室創造的一種磁性材料中記錄了一種“量子自旋液體基態”：Ce ₂ Zr ₂ O ₇，一種由鈰、鋯和氧組成的化合物。

就像鎖在極冷固體中的液體

在量子物理學中，自旋是電子的一種內部屬性，這跟它們的旋轉有關。正是自旋使磁鐵中的材料具有磁性。

在一些材料中，自旋誘發了一種類似於液體中分子的無序結構，因此也就有了“自旋液體”的說法。

一般來說，一種材料隨著溫度的升高而變得更加無序。如當水變成蒸汽時就是這種情況。但自旋液體的主要特點是，即使冷卻到絕對零度，它們仍然是無組織的。

自旋液體之所以仍是無組織的是因為自旋的方向會隨著材料的冷卻而繼續波動，而不是像傳統的磁體那樣穩定在固態。據了解，在傳統的磁體中，所有的自旋是對齊的。

“挫折”電子的藝術

想像一下，電子是一個微小的指南針，要么向上要么向下。在傳統的磁鐵中，電子的自旋都朝向同一個方向，向上或向下，並形成所謂的“鐵磁相”。這就是能讓照片和筆記釘在你冰箱門上的原因。

但在量子自旋液體中，電子被安置在一個三角形的晶格中並形成一個“三人行”的狀態，其特徵是強烈的湍流乾擾了它們的秩序。而得到的結果是一個糾纏的波函數和沒有磁秩序。

“當第三個電子加入時，電子的自旋不能對齊，因為兩個相鄰的電子必須總是有相反的自旋，這就產生了我們所說的磁挫折，”Bianchi解說道，“這就產生了激發進而保持了自旋的無序性並保持了液態，即使是在非常低的溫度下。”

那麼，它們是如何增加第三個電子並導致這種挫折的發生呢？

創造一個“三人行”

Ce ₂ Zr ₂ O ₇是一種具有磁性的鈰基材料。“這種化合物的存在是已知的，，我們的突破是以一種獨特的純淨形式創造它。我們使用在光學爐中熔化的樣品來產生一個近乎完美的三角形原子排列，然後檢查量子狀態，”Bianchi說道。

正是這種近乎完美的三角形使Bianchi和他在德克薩斯大學的團隊能在Ce ₂ Zr ₂ O ₇中創造出磁挫折。他們通過跟麥克馬斯特大學和科羅拉多州立大學、洛斯阿拉莫斯國家實驗室以及德國德累斯頓馬克斯-普朗克復雜系統物理研究所的研究人員的合作測量出了該化合物的磁擴散。

Bianchi表示，他們的測量顯示了一個重疊的粒子函數–因此沒有布拉格峰–這是一個沒有經典磁秩序的明顯跡象，“我們還觀察到一個具有連續波動方向的自旋分佈，這是自旋液體和磁挫折的特徵。這表明我們創造的材料在低溫下表現得像一個真正的自旋液體。”

從夢想到現實

在用計算機模擬證實了這些觀察結果後，研究小組得出結論，他們確實是在見證一種從未見過的量子狀態。

Bianchi說道：“確定一種新的物質量子態是每一個物理學家的夢想成真。我們的材料是革命性的，因為我們是第一個表明它確實可以呈現為自旋液體。這一發現可以為設計量子計算機的新方法打開大門。”

授挫磁鐵

磁性是一種集體現象，其中材料中的電子都向同一方向旋轉。一個日常的例子是鐵磁體，它的磁性歸功於自旋的排列。相鄰的電子也可以向相反的方向旋轉。在這種情況下，自旋仍有明確的方向但沒有磁化。授挫磁鐵之所以受挫，是因為相鄰的電子試圖將它們的自旋定向到相反的方向，而當它們發現自己處於一個三角形的晶格中時它們就無法再在一個共同的、穩定的排列上定居下來。由此得到的結果是：授挫磁鐵。