由來自美國、德國和加拿大的科學(xué)家組成的國際科研團隊在最新一期《物理評論X》雜志上撰文稱，他們在磁性材料Ce2Zr2O7上首次觀測到了“量子自旋液體基態(tài)”，最新研究有望為量子計算機設(shè)計開辟新方向。
自旋是電子擁有的與旋轉(zhuǎn)有關(guān)的內(nèi)部特性，正是自旋使磁鐵內(nèi)的材料具有磁性。在某些材料內(nèi)，自旋會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)紊亂，類似于液體中的分子，因此有“自旋液體”這一說法。自旋液體的主要特征是，即使冷卻到絕對零度(零下273攝氏度)，它們?nèi)员３譄o序狀態(tài)，這是因為隨著材料冷卻，自旋方向持續(xù)波動，而非像傳統(tǒng)磁鐵那樣在固態(tài)中穩(wěn)定下來(在傳統(tǒng)磁鐵內(nèi)，所有自旋都是對齊的)。
研究人員解釋稱，把一個電子想象成一個指向上或下的小指南針。在傳統(tǒng)磁鐵中，電子自旋都指向同一個方向，向上或向下，形成所謂的“鐵磁相”。但在量子自旋液體內(nèi)，電子置于一個三角形晶格中，形成三角形，其特征是強烈的湍流干擾了它們的順序，結(jié)果是一個糾纏波函數(shù)，沒有磁序。
最新研究負責(zé)人、蒙特利爾大學(xué)物理學(xué)教授安德里亞·比安奇解釋說：“當(dāng)添加第三個電子時，電子自旋無法對齊，因為兩個相鄰電子的自旋相反，這就產(chǎn)生了我們所說的磁阻挫。而這種基態(tài)這會產(chǎn)生激發(fā)，即使在非常低的溫度下，也能維持自旋的無序，從而維持液態(tài)。”
比安奇表示，Ce2Zr2O7是一種具有磁性的鈰基材料，此前科學(xué)家已經(jīng)制造出了這種化合物，新研究是以一種獨特的純凈形式制造它，他們使用在光學(xué)爐中熔化的樣品制造出了近乎完美的三角形原子排列，然后檢查量子態(tài)。結(jié)果表明，正是這個近乎完美的三角形，使他們在Ce2Zr2O7中制造出了磁阻挫。
比安奇說：“我們的測量結(jié)果顯示，粒子函數(shù)重疊，因此沒有經(jīng)典磁序的明顯跡象。此外，我們還觀察到自旋方向不斷波動的分布，這是自旋液體和磁阻挫的特征，這表明我們所創(chuàng)造的材料在低溫下表現(xiàn)得像真正的自旋液體。”
在通過計算機模擬證實這些觀察結(jié)果后，研究小組得出結(jié)論，他們確實觀測到了一種前所未見的量子態(tài)——量子自旋液體基態(tài)。(記者劉霞)
關(guān)鍵詞： 量子自旋液體基態(tài) 自旋液體 量子計算機 鈰基材料
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