Ce2Zr2O7樣品。圖片來源：物理學家組織網
由來自美國、德國和加拿大的科學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計開辟新方向。
自旋是電子擁有的與旋轉有關的內部特性，正是自旋使磁鐵內的材料具有磁性。在某些材料內，自旋會導致結構紊亂，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），它們仍保持無序狀態(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，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，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，結果是一個糾纏波函數，沒有磁序。
最新研究負責人、蒙特利爾大學物理學教授安德里亞·比安奇解釋說：“當添加第三個電子時，電子自旋無法對齊，因為兩個相鄰電子的自旋相反，這就產生了我們所說的磁阻挫。而這種基態(tài)這會產生激發(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)?！?/p>
比安奇表示，Ce2Zr2O7是一種具有磁性的鈰基材料，此前科學家已經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：“我們的測量結果顯示，粒子函數重疊，因此沒有經典磁序的明顯跡象。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得像真正的自旋液體?！?/p>
在通過計算機模擬證實這些觀察結果后，研究小組得出結論，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)。