美國能源部下屬橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的科學家們利用中子散射來確定一種特定材料的原子結構是否能夠承載一種叫做螺旋自旋液體的新型物質狀態。該研究小組通過追踪被稱為”自旋”的微小磁矩在層狀三氯化鐵磁體的蜂窩狀晶格上發現了第一個承載螺旋自旋液體的二維繫統。

這一發現為未來研究可能推動下一代信息技術的物理現象提供了一個試驗台。這些現象包括分形子和斯格明子。分子是集體量化的振動，在量子計算中可能被證明是有前景的。斯格明子是新型的磁自旋紋理，可以推進高密度數據存儲。

ORNL的研究人員Shang Gao說：“承載螺旋自旋液體的材料特別令人興奮，因為它們有可能被用來產生量子自旋液體、自旋紋理和分子激發，”他領導了發表在《物理評論快報》上的這項研究。

一個長期存在的理論預測，蜂窩狀的晶格可以承載螺旋自旋液體。這是物質的一個新階段，其中自旋形成波動的開瓶器狀結構。

然而，在這項研究之前，二維繫統中的這種相的實驗證據一直缺乏。二維繫統包括一個層狀晶體材料，其中平面上的相互作用比堆積方向上的更強。

研究人員將三氯化鐵確定為測試該理論的一個有希望的平台，該理論是在十多年前提出的。研究合著者、ORNL的Andrew Christianson找到了來自ORNL的Michael McGuire，他在生長和研究二維材料方面有廣泛的工作經驗，詢問他是否會合成和描述一個三氯化鐵的樣品，以便進行中子散射測量。就像二維石墨烯層作為純碳的蜂窩狀格子存在於塊狀石墨中一樣，二維鐵層作為二維蜂窩狀層存在於塊狀三氯化鐵中。“以前的報告暗示，這種有趣的蜂窩狀材料在低溫下可能顯示出複雜的磁性行為，”McGuire說。

“每個蜂窩狀的鐵層在其上方和下方都有氯原子，構成氯-鐵-氯板，”McGuire說。”一個板塊頂部的氯原子通過范德瓦耳斯鍵與下一個板塊底部的氯原子發生非常弱的相互作用。這種微弱的結合使得像這樣的材料很容易被剝離成非常薄的層，往往是一個單一的板塊。這對於開發設備和理解量子物理學從三維到二維的演變是很有用的。”

在量子材料中，電子自旋可以有集體和外向的行為。如果一個自旋移動，所有的自旋都會做出反應–一種被愛因斯坦稱為”遠距離幽靈行動”的糾纏狀態。該系統保持在一種挫折狀態–一種保持無序的液體，因為電子自旋不斷改變方向，迫使其他糾纏的電子波動以作出反應。

60年前，第一個氯化鐵晶體的中子衍射研究是在ORNL進行的。今天，ORNL在材料合成、中子散射、模擬、理論、成像和計算方面的廣泛專業知識使其能夠對磁性量子材料進行開拓性的探索，從而推動下一代信息安全和存儲技術的發展。

繪製螺旋自旋液體中的自旋運動圖是由美國能源部科學辦公室在ORNL的用戶設施–輻照中子源和高通量同位素反應堆的專家和工具實現的。ORNL的合作者們對中子散射實驗的成功至關重要。Clarina dela Cruz領導了使用HFIR的POWDER衍射儀的實驗；劉耀華領導了使用SNS的CORELLI光譜儀的實驗；Matthias Frontzek領導了使用HFIR的WAND2衍射儀的實驗；Matthew Stone領導了操作SNS的SEQUOIA光譜儀的實驗；以及Douglas Abernathy領導了操作SNS的ARCS光譜儀的實驗。

“我們在SNS和HFIR測量的中子散射數據為螺旋自旋液相提供了令人信服的證據，”研究人員說。

“中子散射實驗測量了中子如何與樣品交換能量和動量，從而可以推斷出磁特性，”共同作者Matthew Stone說。他描述了螺旋自旋液體的磁結構：“它看起來像一群山的地形圖，有一堆環狀物向外延伸。如果你沿著一個環走，所有的自旋都會指向同一個方向。但是如果你向外走，穿過不同的環，你會看到那些旋轉開始圍繞它們的軸旋轉。這就是螺旋。”

“我們的研究表明，螺旋自旋液體的概念對於廣泛的蜂窩狀晶格材料是可行的，”共同作者Andrew Christianson說。“它為社區提供了一條探索自旋紋理和新型激發的新途徑，如分形子，然後可能用於未來的應用，如量子計算。”