布朗大學的研究人員在理解量子自旋液體這種複雜的物質狀態方面取得了長足進展。標準磁鐵會隨著溫度的降低而固化，而量子自旋液體則與之相反，始終處於一種波動狀態。最近的一項研究以化合物H3LiIr2O6 為重點，深入探討了無序狀態在這些材料中的作用。他們發現，量子液體狀態並沒有被無序模仿或破壞，反而發生了顯著變化。這項研究為量子技術帶來了希望，尤其是在量子計算領域。

布朗大學科學家領導的一項研究開始解決凝聚態物理學中一個長期存在的問題，即無序是否會模仿或破壞一種突出化合物中的量子液態。量子自旋液體很難解釋，更難理解。

首先，量子自旋液體與水或果汁等日常液體無關，而是與特殊磁鐵及其自旋方式有關。在普通磁鐵中，當溫度降低時，電子的自旋基本上會凍結，形成一塊固體物質。然而，在量子自旋液體中，電子的自旋不會凍結–相反，電子會像在自由流動的液體中一樣，保持恆定的流動狀態。

量子自旋液體是迄今為止設想出的最糾纏的量子態之一，它們的特性是科學家認為可以推動量子技術發展的應用的關鍵。儘管人們對量子自旋液體進行了長達50 年的探索，並有許多理論指出它們的存在，但從未有人看到過這種物質狀態的確切證據。事實上，研究人員可能永遠看不到這種證據，因為直接測量量子糾纏是非常困難的，愛因斯坦將這種現象稱為著名的”遠距離幽靈行動”。這種現像被愛因斯坦稱為”距離上的幽靈作用”，即兩個原子被連結在一起，無論相隔多遠都能交換訊息。

無序在量子自旋液體中的作用

量子自旋液體的神秘性使人們對凝聚態物理學中的這種奇異材料產生了重大疑問，而這些疑問至今都沒有答案。但在《自然-通訊》（Nature Communications）上發表的一篇新論文中，由布朗大學牽頭的物理學家團隊開始揭示其中一個最重要的問題，並透過引入一種新的物質相來實現這一目標。這一切都歸結於無序。

布朗大學物理學助理教授、這項新研究的資深作者坎普-普拉姆解釋說，”所有材料在某種程度上都存在無序性”，而無序性與一個系統中成分的微觀排列方式的數量有關。例如，有序系統（如固體晶體）很少有重新排列的方式，而無序系統（如氣體）則沒有真正的結構。

在量子自旋液體中，無序帶來的差異基本上與液體背後的理論背道而馳。一種流行的解釋是，當引入無序時，材料就不再是量子自旋液體，而只是處於無序狀態的磁鐵。「因此，最大的問題是量子自旋液體狀態是否能在無序狀態下存活，如果能存活，又是如何存活的？」普拉姆說。

為了解決這個問題，研究人員使用了世界上最明亮的X 射線來分析他們研究的化合物中的磁波，以尋找量子自旋液體的蛛絲馬跡。測量結果表明，這種材料不僅不會在低溫下發生磁有序（或凍結），系統中存在的無序狀態也不會模仿或破壞量子液體狀態。

他們發現，無序確實會明顯改變這種狀態。

“量子液態還能存活，”普拉姆說：”它不會像普通磁鐵那樣凍結。它保持著這種動態狀態，但它就像是動態狀態的去相關版本。我們現在的解釋是，量子自旋液體在整個材料中被分解成小水窪。”

影響與未來研究

研究結果基本上表明，他們研究的材料是量子自旋液體的主要候選材料之一，看起來確實接近量子自旋液體，但卻多了一種成分。研究人員認為，這是一種無序的量子自旋液體，是無序物質的新階段。

普拉姆說：「在這種材料中可能發生的一件事是，它變成了非量子自旋液體狀態的無序版本，但我們的測量結果會告訴我們這一點。相反，我們的測量結果表明，這是一種非常不同的狀態。”

這些結果加深了我們對無序狀態如何影響量子系統以及如何解釋無序狀態的理解，這對於探索這些材料在量子計算中的應用非常重要。

這項工作是布朗大學普拉姆實驗室長期以來對奇異磁態研究的一部分。這項研究的重點是化合物H3LiIr2O6，這種材料被認為最符合被稱為基塔耶夫自旋液體的特殊類型量子自旋液體的原型。雖然眾所周知H3LiIr2O6 在低溫下不會凍結，但在實驗室中生產H3LiIr2O6 卻出了名的困難，而且眾所周知H3LiIr2O6 中存在無序性，這就模糊了H3LiIr2O6 是否真的是一種自旋液體。

布朗大學的研究人員與波士頓學院的合作者一起合成了這種材料，然後利用伊利諾伊州阿貢國家實驗室強大的X 射線系統，用高能量光照射這種材料。光激發了化合物中的磁性，從它產生的波中測量是測量糾纏的變通方法，因為這種方法提供了一種觀察光如何影響整個系統的方法。

研究人員希望透過改進方法、材料本身以及研究不同的材料，繼續拓展這項工作。

普拉姆說：”未來最大的事情就是我們一直在做的事情，那就是繼續搜尋元素週期表為我們提供的真正廣闊的材料空間。現在，我們對元素的不同組合如何影響相互作用或產生不同種類的無序從而影響自旋液體有了更深入的了解。我們有了更多的指導，這真的很重要，因為這確實是一個非常廣闊的探索領域。”