发现量子自旋液体材料的新途径

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#物理学 #凝聚态物理 #量子物理#前沿科学 #量子自旋液体材料

图片来源：CC0 公共领域

科学家们首次提出了一条在量子水平上具有复杂无序磁特性的材料的新途径。这种基于钌框架的材料满足了 Kitaev 量子自旋液态的要求——这是科学家几十年来一直试图理解的难以捉摸的现象。

伯明翰大学科学家的这项研究发表在《自然通讯》上，为实现和控制具有不遵循经典物理定律的广受欢迎的新特性的量子材料迈出了重要一步。

至关重要的是，这些材料提供了一条获得磁性的途径，这些磁性的行为与传统的“铁磁体”不同，后者围绕两个磁极排序。铁磁体（包括冰箱或布告栏上常见的条形磁铁）包含相互相互作用的电子，每个电子都像一个微小的磁铁一样吸引和排斥，因此它们都指向同一方向，从而赋予磁铁力量。

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量子自旋液体材料具有磁性，但其行为方式并非如此。这些材料不是铁磁体的有序特性，而是无序的，其中的电子通过称为量子纠缠的过程进行磁性连接。

尽管量子自旋液体在理论上存在并已被科学家建模，但以前无法通过实验生产它们或在自然界中找到它们。

在这项新研究中，研究人员描述了一种新型钌基材料的特性，该材料为探索这些物质状态开辟了新的途径。

首席研究员 Lucy Clark 博士解释说：“这项工作是了解我们如何设计新材料以探索物质的量子态的非常重要的一步。它揭示了迄今为止尚未得到充分探索的一大类材料，这可能会为我们如何设计新的磁性以用于量子应用提供重要线索。

虽然科学家们认为可能存在许多天然存在的铜矿物和矿物晶体系统，但由于自然界中发现的额外结构复杂性，这些尚未得到证实。

量子自旋液体的复杂性也给理论家带来了困难，因为建模会导致许多相互竞争的磁相互作用，这些相互作用极难解开，从而导致物理学家之间产生分歧。

理论物理学家阿列克谢·基塔耶夫 （Alexei Kitaev） 在 2009 年制作的一个模型能够证明量子自旋液体的一些基本原理。然而，它描述的磁相互作用需要一个环境，科学家们无法通过实验产生这种环境，除非材料恢复到常规有序的磁性状态。

人们认为这种行为与候选材料的密集堆积晶体结构有关。由于离子堆积得如此紧密，它们能够直接相互作用，从而导致它们恢复到磁性顺序。

使用英国 ISIS 中子和 μ 子源以及 Diamond Light Source 的专业仪器，伯明翰的团队能够证明一种具有开放框架结构的新材料可以调节钌金属离子之间的相互作用，从而为获得 Kitaev 量子自旋液态提供一条新途径。

重要的是，在这些更开放的结构中产生的磁相互作用比其他情况要弱，这为科学家提供了更大的空间来调整它们的精确行为。

“虽然这项工作没有产生完美的 Kitaev 材料，但它证明了该领域的理论和实验之间的有用桥梁，并为研究开辟了富有成效的新领域，”Clark 博士补充道。

更多信息：Kitaev 通过 jeff = 1/2 Ru3+ 蜂窝状磁体 RuP3SiO11 中扩展超交换途径的相互作用，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-53900-3

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