钴自旋蜂窝磁体揭示量子自旋液体的全新工程前景

绝大多数磁铁的行为是可预测的。将它们冷却后，微小的磁矩就会像训练有素的士兵一样整齐划一。然而，物理学家们早已怀疑，在特定条件下，磁性甚至可能在极冷的环境中也不愿意稳定下来。

这种不稳定的状态被称为量子自旋液体，它可能会解锁新型粒子，并为量子技术奠定基础，这些技术比今天脆弱的系统要稳定得多。

在橡树岭国家实验室（ORNL），研究人员现在创造并仔细研究了一种新的磁性材料，让这一奇特的可能性更接近现实，尽管它还没有完全实现。

打造精致的自旋蜂窝

量子自旋液体的挑战在于自然更倾向于有序。在普通的磁性材料中，未配对的电子表现得像微小的指南针，最终会彼此对齐。为了防止这种对齐，自旋之间的相互作用必须以非常特定的方式相互竞争。

近二十年前，物理学家阿列克谢·基塔耶夫提出，蜂窝状晶格的磁性原子可以产生这种竞争现象，但将这一想法转化为实际材料却异常困难。

ORNL团队专注于一种叫做钾钴砷酸盐的化合物，其中钴原子形成二维蜂窝网络。制造这个化合物需要特别小心。如果加热过高，化合物会在形成晶体之前分解。

研究人员通过在低温下缓慢加热精心准备的溶液来解决这个问题，从而使晶体在不分解的情况下生长。一旦材料制成，团队就进行了系列测试。

化学分析确认了钾、钴、砷和氧的具体比例。电子显微镜和衍射显示蜂窝晶格确实存在，但并不完全对称。这样的轻微扭曲结果被证明是很重要的。

热容和磁性测量显示，随着材料的冷却，钴自旋最终在约14开尔文（约-259 °C）以下锁定成有序模式，而不是像量子自旋液体那样保持流动状态。

中子散射实验提供了晶体内部情况的最清晰图像。因为中子与磁自旋有很强的相互作用，这使得研究人员能够确认蜂窝结构在整个样本中是一致的。

弱Kitaev相互作用的存在情况

与此同时，基于测量结构的计算机模拟解释了自旋为何冻结。奇特的“Kitaev”相互作用确实存在，但强度比更常规的磁力要弱。换句话说，理论预测的物理现象是存在的，但强度不足以主导局面。

乍一看，没能达到量子自旋液体的标准似乎让人失望。不过，在这个领域，接近目标往往比偶然的成功更有意义。

钾钴砷酸盐材料正处于一个临界点附近。计算表明，稍微改变它的化学成分、施加压力或应用强磁场，可能会改变竞争相互作用之间的平衡。

如果这种平衡能够被倾斜，潜在的回报可能非常深远。量子自旋液体预计会出现一种称为马约拉纳费米子的异常集体激发——这些并不是单独的粒子，而是分布在材料中的共享量子运动。

“基塔耶夫模型一直是实现能够承载马约拉纳费米子的量子自旋液体的一个长期目标，”研究作者指出。因为这些激发自然受到噪声的保护，所以它们被认为是未来量子计算机和传感器的有希望的基础。

总的来说，研究人员构建的蜂窝结构可能还没有实现量子自旋液体——但它提供了一条通向量子自旋液体的实用路径，这本身就使其成为向前迈出的重要一步。

“计算研究表明，存在一个弱的最近邻Kitaev项K1，这与相关的蜂窝状钴酸盐相符。综合数据表明，这种材料可能为开发Kitaev量子自旋液体提供一个新的平台，”研究的作者们补充说。