科學家首次觀測到物質的一種新量子態 相關成果發表在《物理評論X》

近日，科學家首次觀測到物質的一種新量子態。

來自加拿大蒙特利爾大學的團隊在一種磁性材料——由鈰、鋯和氧組成的化合物Ce2Zr2O7中，觀察到一種“量子自旋液體基態”。相關成果發表在《物理評論X》(Physical Review X)。

量子物理學是一門致力于描述原子和亞原子粒子行為，并闡明其特性的科學學科。在量子物理學領域，科學家會發現新的物質狀態。

自旋是一種與電子旋轉有關的內部屬性，并使磁體中的材料具有磁性。但在一些材料中，自旋會導致無序結構，類似于液體中的分子，因此有了“自旋液體”的說法。

一般來說，隨著溫度升高，材料的內部結構會變得更加紊亂。例如，當水變成水蒸汽。而自旋液體的主要特點為，即使冷卻到絕對零度(-273°C)，它們依然是無序的。因為隨著材料冷卻，自旋方向持續波動，并非像傳統磁體那樣穩定在固態(一般在這樣的固態下，所有自旋方向都是對齊的)。

如果把電子想象成一個小型指南針，它可以指向上方或下方。在傳統磁體中，電子自旋的方向都是相同的，向上或向下，形成所謂的“鐵磁性”，比如磁鐵可以將照片和便條“貼”在冰箱上。

但在量子自旋液體中，電子被放置在一個三角形晶格中，形成一個“三角關系”，其特征是強烈的擾動干擾了其順序，形成了無磁序的糾纏波函數。

“當加入第三個電子時，電子的自旋方向不能對齊，因為相鄰的兩個電子的自旋方向總是相反的，導致了我們所說的磁阻挫。這產生了能保持自旋無序的激發，因此即使在非常低的溫度下也能保持自旋液體的特征。”加拿大蒙特利爾大學物理學教授Andrea Bianchi說道，“Ce2Zr2O7是一種具有磁性的鈰基材料，這一化合物是已知的存在。我們的突破在于創造了一種獨特的純粹形態，使用在光學爐中熔化的樣品來產生近乎完美的原子三角形排列，然后檢測其量子態。”

前述三角形排列使科學家能夠在Ce2Zr2O7材料中制造磁阻挫，并測量出這種化合物的磁擴散。

Bianchi表示，“我們的測量顯示了重疊的粒子函數，因此沒有古典磁序的明顯跡象。我們還觀察到具有連續波動方向的自旋分布，這是自旋液體和磁阻挫的特征，表明我們創造的材料在低溫下的表現正如自旋液體。”

利用計算機模擬驗證前述觀測結果后，該團隊證實他們觀測到了一種新的量子態。

“確定物質的一種新量子態是每個物理學家的夢想。”Bianchi認為，團隊研發的材料具有革命性，被首次證明是以自旋液體的形式存在。“這一發現可能為設計量子計算機的新方法打開大門。”