《自然·物理学》重磅：破解杂质困扰，斯坦福为量子自旋液体正名

量子自旋液体 (Quantum Spin Liquid, QSL) 的发现一直是凝聚态物理领域梦寐以求的“圣杯”。这一概念最早由菲利普·安德森（Philip Anderson）于 1973 年提出，描述的是一种即使在绝对零度下，自旋也不会发生传统磁性有序排列，而是处于恒定的量子涨落之中的物质状态。在所有可能承载这种状态的结构中，S=1/2 笼目晶格——一种由顶点连接的三角形组成的网络——因其极端的几何受挫被认为是最理想的平台。

然而，该领域长期受到“杂质问题”的困扰。2025 年，斯坦福大学的 Aaron T. Breidenbach 和Young S. Lee 团队发表在《自然物理学》题为 《Identifying universal spin excitations in candidate spin-1/2 kagome quantum spin liquid materials》 的论文取得了决定性突破。通过对比两种不同的笼目材料，他们成功地将 QSL 物理的“普适”信号从材料特定的缺陷“噪音”中分离了出来。

1. 杂质困境：赫伯特尖晶石 vs. 锌巴洛石

十多年来，赫伯特尖晶石 (Herbertsmithite) (ZnCu₃(OH)₆Cl₂) 一直是 QSL 研究中无可争议的明星。实验人员观察到了连续的激发谱——这是自旋子（分数化准粒子）存在的标志。然而，质疑声从未停止：赫伯特尖晶石存在严重的“位置无序”缺陷，即锌原子和铜原子会互换位置。批评者认为，观察到的连续谱可能只是这些随机杂质造成的结果，而非本质的 QSL 态。

为了解决这一争端，Breidenbach 团队转向研究其“亲戚”材料：锌巴洛石 (Zn-barlowite) (ZnxCu4-x(OD)₆FBr)。虽然锌巴洛石在结构上与赫伯特尖晶石相似，但其杂质的局部环境完全不同。研究团队的逻辑非常简洁且优雅：如果自旋激发确实是笼目晶格本质固有的，那么尽管两种材料的杂质分布不同，它们的激发特征应该表现一致。

2. 实验发现：普适连续谱

研究团队利用橡树岭国家实验室散裂中子源（SNS）的高分辨率非弹性中子散射 (INS) 技术，绘制了锌巴洛石的磁激发图谱，并将其与赫伯特尖晶石进行了直接对比。

“高能”指纹

研究发现，当能量转移高于约1meV时，两种材料的散射图谱几乎完全一致。它们都展现出了宽广的连续谱激发，这与传统磁体中尖锐的“自旋波”模式截然不同。

意义：由于这种高能特征在不同的化学环境下保持不变，它必然是普适的。这提供了迄今为止最强有力的证据，证明这些激发确实是量子自旋液体的分数化自旋子。

“低能”分歧

至关重要的是，研究人员观察到在低能量区域（低于1meV），两种材料的散射模式出现了显著差异。

意义：这种差异证实了低能信号确实是由杂质引起的（因为每种晶体的杂质环境不同），而高能信号则属于笼目平面本身。这种“双区域”观察法让物理学家终于能够去伪存真，识别出本质物理。

3. 基态性质：有能隙 vs. 无能隙

QSL 理论中争议最激烈的问题之一是基态是“无能隙”的（允许极低能量的激发）还是“有能隙”的（需要一个最小能量“跨度”才能激发系统）。

这篇论文为自旋能隙提供了令人信服的证据，测量值约为Δ≈1.1(2) meV（约占交换耦合 J的1/15）。

• 通过将实验数据与密度矩阵重整化群 (DMRG) 计算进行拟合，研究者证明实验结果与有能隙的Z₂自旋液体模型高度吻合。
• 这一发现表明笼目 QSL 具有特定的拓扑序 ，这是实现某些形式的量子计算的前提条件。

4. 对量子技术的深远影响

识别普适自旋激发不仅是基础物理学的胜利，对拓扑量子计算的未来也有着实际意义。

有能隙 QSL 中的激发不仅仅是“随机波动”，它们通常是任意子 ——这些准粒子能够“记住”彼此环绕的路径。由于这些状态受晶格拓扑性质的“保护”，理论上它们可以免疫导致当前量子计算机出错的局部噪声和退相干。通过证明锌巴洛石中存在这些激发，该研究确立了“巴洛石家族”作为开发强健拓扑量子比特的合法平台。

结论

Breidenbach、Lee 及其合作者的工作标志着受挫磁学研究的一个转折点。通过识别出超越特定材料缺陷的普适激发，他们将学术界的讨论从“量子自旋液体是否存在？”推进到了“它究竟属于哪种特定的拓扑序？”。

这项研究将锌巴洛石从一个单纯的候选材料提升到了基准材料的高度。它提供了一份清晰的实验路线图：通过寻找这种普适的高能连续谱，物理学家现在可以在更广泛的新材料中识别 QSL 行为，从而开启拓扑保护量子物质的新时代。