钴基蜂窝磁体展示量子自旋液体可能的工程化路径

砷酸钴钾凸显了轻微的结构畸变如何阻止自旋在低温下保持流动状态。

大多数磁体的行为是可预测的。将其冷却，它们微小的磁矩便会像训练有素的士兵一样迅速归位。然而，物理学家长期以来一直怀疑，在合适的条件下，磁性即使在极端低温下也可能拒绝"安定"下来。这种永不休止的状态被称为量子自旋液体，它有望揭示新型粒子，并为远比当今脆弱系统更稳定的量子技术奠定基础。

在橡树岭国家实验室，研究人员最近创造并细致研究了一种新的磁性材料，使得这种奇特的可能性更接近现实——尽管它尚未完全跨越终点线。

构建精密的"自旋蜂窝"

量子自旋液体的难点在于，大自然倾向于有序。在普通磁性材料中，未配对电子像微小的指南针，最终会彼此排列一致。为了防止这种排列，自旋之间的相互作用必须以非常特定的方式相互竞争。

约二十年前，物理学家阿列克谢·基塔耶夫提出，磁性原子构成的蜂窝状晶格恰好能产生这种竞争，但将这一想法转化为真实材料被证明异常困难。

橡树岭团队专注于一种名为砷酸钴钾的化合物，其中钴原子形成二维蜂窝网络。制备它需要格外小心：加热过度会导致化合物在结晶前分解。研究人员通过在低温下缓慢加热精心配制的溶液解决了这一问题，使晶体得以生长而不分解。

材料制成后，团队对其进行了一系列测试。化学分析确认了钾、钴、砷和氧的精确比例。电子显微镜和衍射表明蜂窝晶格真实存在，但并非完全对称——这种轻微畸变被证明至关重要。

热容和磁性测量显示，随着材料冷却，钴自旋最终在大约14开尔文（约-259°C）以下锁定为有序图案，而非像量子自旋液体那样保持流动。

中子散射实验提供了晶体内部情况的最清晰图像。由于中子与磁自旋有强相互作用，研究人员得以确认蜂窝结构在整个样品中保持一致。

存在微弱的基塔耶夫相互作用

同时，基于测量结构的计算机模拟解释了自旋冻结的原因：奇特的"基塔耶夫"相互作用确实存在，但比更传统的磁力更弱。换言之，理论预测的物理机制存在，只是强度不足以占据主导。

乍看之下，未能实现量子自旋液体似乎令人失望。但在这个领域，"接近目标"往往比"偶然成功"更有价值。砷酸钴钾材料处于一个临界点附近。计算表明，轻微改变其化学成分、施加压力或加强磁场，都可能改变竞争相互作用之间的平衡。

若能打破这一平衡，回报可能非常深远。量子自旋液体预计会承载一种称为马约拉纳费米子的异常集体激发——它们并非独立粒子，而是遍布材料内部的共享量子运动。

研究作者指出："基塔耶夫模型一直是实现可承载马约拉纳费米子的量子自旋液体的长期追寻目标。"由于这些激发态天然抗噪声干扰，它们被认为是未来量子计算机和传感器的有前途的构建模块。

简言之，研究人员构建的蜂窝结构可能尚未承载量子自旋液体，但它提供了一条可行的实现路径——这本身就标志着一次有价值的进展。

研究作者补充道："计算研究表明存在弱最近邻基塔耶夫项K1，这与相关的蜂窝状钴酸盐一致。综合数据表明，该材料应为开发基塔耶夫量子自旋液体提供一个新平台。"

该研究已发表于《无机化学》期刊。

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