没有已知的方法可以证明存在三维“量子自旋液体”,所以赖斯大学的物理学家和他们的合作者做了下一个最好的事情:他们展示了他们的单晶铈锆烧绿石有合适的东西可以作为第一个可能的3D长期寻求的物质状态的版本。

尽管有这个名字,但量子自旋液体是一种固体材料,其中量子力学的奇怪特性 - 纠缠 - 确保了液态磁状态。

在本周的自然物理学论文中,研究人员提供了大量实验证据 - 包括在橡树岭国家实验室(ORNL)进行的关键中子散射实验和瑞士保罗谢勒研究所(PSI)的μ子自旋弛豫实验 - 以支持他们的铈锆烧绿石,其单晶形式,是第一种有资格作为3D量子旋转液的材料。

“量子自旋液体是科学家根据你看不到的东西定义的,”赖斯的彭成棠说,该研究的对应作者,赖斯量子材料中心(RCQM)的成员。“你没有看到旋转安排的长期秩序。你不会看到混乱。以及其他各种各样的事情。不是这个。不是那样。没有确凿的正面认同。”

研究小组的样品被认为是同类产品中的第一个:Pyrochlores,因为它们的铈,锆和氧的比例为2比7比7,因为它们内部的原子排列成连续的,不间断的格子。

“我们已经完成了我们可以想到的关于这种化合物的每一个实验,”戴说。“(研究合着者)艾米莉亚·莫罗桑在莱斯的研究小组进行了热容量研究,表明材料没有经历相变到50毫克的相变。我们做了非常仔细的晶体学,证明晶体没有混乱。我们做了μ子旋转松弛实验表明,没有长程磁序低至20毫克,我们做了衍射实验,证明样品没有氧空位或其他已知缺陷。最后,我们做了非弹性中子散射,表明存在自旋激发连续体 - 可能是量子旋转液体标志 - 低至35毫克。“

物理学和天文学教授戴先生将这项研究的成功归功于他的同事们,特别是联合主要作者Bin Gao和Tong Chen以及共同作者David Tam。水稻博士后研究员高先生在罗格斯大学共同作者Sang-Wook Cheong实验室的激光浮区熔炉中制作了单晶样品。汤,水稻博士 学生,帮助Bin在ORNL进行实验,产生了一个旋转激发连续体,表明存在产生短程有序的自旋纠缠,而Tam,也是一位稻米博士。学生,在PSI带领muon旋转旋转实验。

尽管团队的努力,戴说,不可能明确地说铈锆227是一种旋转液体,部分原因是物理学家还没有就实现该声明所必需的实验证据达成一致,部分原因是因为量子自旋的定义液体是一种存在于绝对零度温度的状态,是一种超出任何实验范围的理想状态。

据信量子自旋液体存在于由磁性原子,特别是晶体排列组成的固体材料中。导致磁性的电子的固有特性是自旋,电子自旋只能指向上或下。在大多数材料中,旋转是随意洗牌的,就像一副牌,但磁性材料是不同的。在冰箱和MRI机器内的磁铁中,旋转感觉到它们的邻居并将它们集中在一个方向上。物理学家将此称为“远程铁磁有序”,而远程磁性有序的另一个重要例子是反铁磁性,其中自旋共同以重复,上下,上下模式排列。

赖斯理论物理学家和研究公司说:“如果你知道旋转在旋转周期,你可以知道旋转是做什么的,因为长程有序,旋转会做多次,多次重复。” -author Andriy Nevidomskyy,物理与天文学副教授和RCQM成员。“另一方面,在液体中,没有长程有序。例如,如果你看一两毫米的水分子,就没有任何相关性。然而,由于它们的氢 - 氢键,它们仍然可以与附近的分子在非常短的距离内进行有序排列,这将是短程有序的一个例子。“

1973年,诺贝尔奖获得者物理学家菲利普安德森提出了量子自旋液体的概念,其基础是认识到某些晶体中原子的几何排列可能使纠缠自旋不可能在稳定的排列中共同定位。

正如科学作家Philip Ball在2017年恰当地描述的那样,“想象一个反铁磁 - 其中相邻的自旋倾向于相反取向 - 在三角形晶格上。每个自旋在三角形中有两个最近的邻居,但反平行对齐不能满足对于所有三重奏,一种可能性是自旋晶格冻结成无序的“玻璃”状态,但Anderson表明量子力学允许即使在绝对零度(温度)下也能产生波动的自旋。这种状态称为量子自旋液体,安德森后来暗示它可能与高温超导性有关。“

自20世纪80年代以来,量子自旋液体可能解释高温超导的可能性引起了凝聚态物理学家的广泛兴趣,并且Nevidomskyy表示,当“建议所谓的拓扑量子旋转液体的一些例子可能适合建造时,兴趣进一步增加量子计算的量子比特。

“但我相信量子自旋液体的一部分好奇心在于它在许多化身和理论建议中重新出现,”他说。“虽然我们有理论模型我们知道,事实上,结果将是一种旋转液体,找到一种能够满足这些性质的实际物质材料到目前为止已经证明是非常困难的。在该领域没有达成共识到目前为止,任何材料 - 2D或3D - 都是量子旋转液体。“