神秘量子自旋液体现身于精制生长的笼目晶体中

研究人员在研究一种新型笼目材料时，发现了先前曾观测到的相同奇异自旋行为，这指向了相关晶体中共同的量子态。

在某些磁性材料深处，电子的行为方式似乎违背常理。它们的自旋并非像普通磁体那样像小型罗盘指针般整齐排列，而是持续躁动，即使在接近绝对零度时也永不停止地波动。物理学家将这种奇异状态称为量子自旋液体，数十年来它一直是物理学中最难以捉摸的物质相之一。如今，一项新研究揭示了一些迄今为止最清晰的证据，表明这种奇异状态确实存在于真实材料中。

通过研究一种具有特殊原子图案的精制晶体，他们表明量子自旋液体可能并非罕见个例，而是一整类材料的普遍特征。这一结果可能会改变科学家对量子物质的看法。

为何量子自旋液体难以证实

证实量子自旋液体存在的最大挑战在于它们没有留下明显的"指纹"。在普通磁体中，自旋会形成易于探测的有序模式。然而，在量子自旋液体中，自旋永远不会稳定下来，它们的行为由深层的量子纠缠（一种粒子即使分离也保持关联的现象）所支配。

该研究的资深作者、斯坦福大学教授李杨（音）表示："过去20多年来，我一直对理解量子自旋液体感兴趣。它们是迷人的量子物质新态。原则上，它们的基态可能具有长程量子纠缠，这在真实材料中极为罕见。"

直到现在，科学家仍无法确定实验中观测到的异常信号究竟是量子自旋液体的真实迹象，还是特定材料独有的特性。为了解决这个问题，该研究的作者们专注于具有笼目晶格的材料，这是一种类似于交错三角形图案的原子几何排列。这种结构天生会阻碍磁有序，使其成为承载量子自旋液体的主要候选者。

在之前的研究中，研究人员研究了一种名为赫伯特史密斯石的笼目材料，并在其中检测到了异常的磁激发。然而，有质疑者提出——那些激发是普遍存在的，还是该化合物独有的？

测试新型笼目材料的普遍行为

为了回答上述问题，研究人员合成了另一种名为锌硼铬石的高质量单晶笼目材料。制备这种晶体很困难但至关重要，因为纯净、有序的样品才能进行精确测量。研究人员将晶体冷却到极低温度以观察其最低能量状态（即基态），然后使用高分辨非弹性中子散射技术将中子射入材料中。中子是非常理想的探针，因为它们可以深入晶体内部，并直接与电子自旋相互作用。通过分析中子的散射方式，科学家能够看到自旋在空间中如何关联以及它们随时间如何波动。

他们的发现令人震惊。这些激发并非表现为被称为磁振子的传统磁波，而是分裂成更小的碎片，即自旋子。李杨说："我们的测量表明，笼目自旋的基本激发以'自旋子'的形式出现，它是典型'磁振子'激发的分数化碎片。"

研究人员认为，这种现象只能发生在强量子纠缠系统中。更引人注目的是，锌硼铬石中的自旋子行为与团队先前在赫伯特史密斯石中观测到的结果高度相似。这一发现表明，这两种材料承载着相同的底层量子自旋液体态，指向了一种普遍现象，而非孤立案例。

捕捉量子纠缠的挑战

这项工作标志着向凝聚态物理学一个长期目标迈出的重要一步，即至少在一种无疑承载量子自旋液体基态的真实材料上达成广泛共识。通过展示两种不同的笼目材料表现出相同的奇异激发，并且这些观测结果与理论相符，该研究强化了量子自旋液体是真实且稳定的物质相的论据。

长远来看，这些态可能具有深远的影响。例如，量子自旋液体天然具有长程量子纠缠，这是量子计算、安全信息存储及其他量子技术的关键要素。然而，实际应用仍然遥远。一个主要限制是，科学家目前缺乏直接测量固态材料内部量子纠缠的工具。希望进一步的研究能够克服这一长期存在的挑战。

该研究已发表在《自然·物理学》期刊上。

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