音乐大烩菜|科学家在量子计算机的候选材料中发现物质奇特状态的证据

设在佛罗里达州大学的美国高磁场实验室工作的研究职员使用一种新奇的技术，发现了一种量子自旋液体的物质奇特状态的证据，量子自旋液体有望成为未来量子计算机的基础。
在凝聚态物理学中，量子自旋液体（quantum spin liquid ，缩写：QSL）是物质的不平常相，可以通过相互作用某些磁性材料中的量子自旋来形成。量子自旋液体的一般特征是其长程量子纠缠、分数激发和缺乏普通的磁阶。

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量子自旋液体态是物理学家菲尔·安德森（Phil Anderson）于1973年首次提出的，它是三角晶格上自旋系统与其近邻反磁性相互作用的自旋系统的基态。即相邻的自旋试图沿相反的方向对齐。 1987年，安德森提出了一种以无序自旋液体状态描述高温超导性的理论，获得1977年的诺贝尔物理学奖，量子自旋液体引起了人们的进一步关注。
研究职员在研究化合物三氯化钌中的所谓电子自旋时发现了令人兴奋的行为。他们的发现发表在今天的《天然-物理》杂志上，表明电子自旋在整个材料上相互作用，有效地降低了总能量。在高温和高磁场下，在三氯化钌中检测到这种行为（与量子自旋液体一致）。
如图所示三氯化钌的晶体结构示意图，显示了钌离子和氯离子的简朴蜂窝状晶格。氯在每个钌原子的电子自旋四周形成的扭曲八面体是彼此的镜像。这种扭曲是化合物异常行为的枢纽，这证实它可能包含量子自旋液体的一个例子。

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自1973年首次提出以来，量子自旋液体一直是个谜。尽管某些材料对此物质状态显示出令人鼓舞的迹象，但要确定其存在仍旧是极具挑战性的。但是，人们对它们有极大的爱好，由于科学家以为它们可以用于多种应用（例如量子计算）中的更智能材料的设计。
物理学家金·莫迪奇（Kim Modic）说，这项研究为三氯化钌是一种自旋液体提供了有力的支持， “我以为论文为三氯化钌提供了新的视角，并展示了寻找自旋液体特征的新方法。 ”
几十年来，物理学家对电子的电荷进行了广泛的研究，但是电子也具有自旋的性质。科学家们还但愿利用电子的自旋方面来获得技术，但是自旋的普遍行为尚未完全被理解。
简而言之，电子可以以为是沿某个方向旋转的轴旋转。在磁性材料中，这些自旋沿相同或相反方向彼此对齐。这种行为称为磁性排序，这种行为可以通过温度或磁场来诱发或按捺。一旦按捺了磁序，就会泛起更奇异的物质状态，例如量子自旋液体。

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为了寻找自旋液体，研究小组将三氯化钌放入了杯中。它的蜂窝状结构在每个位置都有一个自旋，就像磁性的石墨烯一样，这是凝聚态物理中的另一个热门话题。钌比碳重得多，这导致自旋之间发生强烈的相互作用。
【音乐大烩菜|科学家在量子计算机的候选材料中发现物质奇特状态的证据】研究小组但愿这些相互作用将增强材料的磁阻。这是一种“三人陪伴”的情况，其中两个自旋成对泛起，而第三个自旋则处于磁性边沿，这阻碍了磁性排序。团队以为，这种挫败感可能导致旋转液体状态，他们的数据终极证明了他们的怀疑。

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莫迪奇说：“在低温和外加磁场下，三氯化钌好像显示出我们正在寻找的行为迹象。 ” “这些自旋不仅仅根据相邻自旋的排列来定向，而是动态的（例如旋转的水分子），同时保持它们之间的某些相关性。 ” 分页标题
莫迪奇说，该发现是由该团队开发的一种新技术实现的，该新技术称为共振扭转磁力测定法，该技术可以精确地丈量强磁场中电子自旋的行为，并可能导致有关磁性材料的很多其他新见解。
“我们真的没有像研究电荷系统那样拥有强盛的技术或分析机制来研究电子自旋的激发。 ” “确实存在的方法通常需要大样本量，而这可能是无法获得的。我们的技术非常敏捷，并且可以处理微小的细小样本。这可能会改变这一研究领域。

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这一技术涉及将三氯化钌样品固定在一根发丝大小的悬臂上。他们改变了石英音叉的用途，类似于石英晶体腕表，以在磁场中振动悬臂。他们没有使用它来精确地显示时间，而是丈量了振动的频率，以研究三氯化钌中的自旋与施加的磁场之间的相互作用，强盛磁铁中进行了丈量。
研究职员表示， “我们的方法的长处在于，它是一个相对简朴的设置，它使我们能够在35特斯拉的电阻磁体和65特斯拉的脉冲磁场中进行丈量。 ”“如斯高的磁场将使我们能够直接观察到自旋液态的按捺，这将匡助我们进一步了解该化合物的内部工作原理。 ”
参考：Scale-invariant magnetic anisotropy in RuCl3 at high magnetic fields, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038/s41567-020-1028-0
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