科技日報實習記者 張佳欣
1965年諾貝爾物理學獎得主菲利普·沃倫·安德森在1973年首次提出一種新物質狀態(tài)——量子自旋液體。其不同性質在高溫超導和量子計算機等量子技術領域有著廣闊的應用前景。但問題在于，從未有人見過這種物質狀態(tài)，至少近50年來一直如此。如今，哈佛大學領導的一個物理學家團隊表示，他們終于通過實驗模擬并分析了這種奇異的物質狀態(tài)。相關論文發(fā)表在2日的《科學》雜志上，這一成果標志著人們對量子自旋液體的神秘本質有了全新理解，向能夠按需創(chuàng)造出這種難以捉摸的狀態(tài)邁出了一大步。
米哈伊爾·盧金教授(左)和首席研究員朱利亞·塞梅吉尼模擬并分析了一種以前從未觀察到的物質狀態(tài)——量子自旋液體。他們正在使用激光研究量子自旋液體。圖片來源：克里斯·斯尼貝/哈佛大學
量子自旋液體與水等日常液體沒有任何關系，而是與磁鐵和其中電子旋轉的方式有關。在普通磁鐵中，當溫度降到一定溫度以下時，電子就會穩(wěn)定下來，形成一塊具有磁性的固體物質。在量子自旋液體中，電子在冷卻時不穩(wěn)定，不會形成固體，并且在不斷變化和波動，如同液體一般。
研究人員表示，從這項研究中學到的知識有朝一日可能會為設計更好的量子材料和技術提供幫助。更具體地說，量子自旋液體的奇異性質可能是創(chuàng)造更穩(wěn)定的量子比特（即拓撲量子比特）的關鍵，這種量子比特有望抵抗噪音和外部干擾。學習如何創(chuàng)造和使用這樣的拓撲量子比特，意味著向實現(xiàn)可靠的量子計算機邁出重要一步。
研究小組使用可編程量子模擬器來觀察這種類似液體的物質狀態(tài)。該模擬器是一種特殊的量子計算機，允許研究人員創(chuàng)建諸如正方形、蜂窩狀或三角形晶格等可編程形狀，從而設計超冷原子之間不同的相互作用和糾纏。
在傳統(tǒng)的磁鐵中，電子自旋按照某種規(guī)則向上或向下。例如，在日常使用的冰箱磁鐵中，旋轉都指向同一個方向。這是因為旋轉通常以棋盤格模式工作，并且可以配對，這樣它們就可以指向相同或相反的方向，保持一定的順序。
量子自旋液體沒有表現(xiàn)出這樣的磁性順序。這是因為，從本質上講，其添加了第三個旋轉，將棋盤格圖案轉變?yōu)槿切螆D案。雖然一對電子總是可以穩(wěn)定在一個或另一個方向上，但在三角形中，第三個自旋總是奇數(shù)，這就形成了一個阻挫自旋系統(tǒng)，使電子自旋不能穩(wěn)定在一個方向上。
研究人員使用模擬器創(chuàng)建了這種阻挫系統(tǒng)晶格圖案，將原子放在相應位置相互作用和糾纏，在整個結構糾纏在一起后，他們能測量和分析連接原子的弦——這些弦被稱為拓撲弦。拓撲弦的存在及對其進行的分析表明，量子自旋液態(tài)已經(jīng)出現(xiàn)。
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