科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞
一個(gè)由瑞士、美國(guó)、法國(guó)等多國(guó)科學(xué)家組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)宣布，他們?cè)阱a酸鈰材料發(fā)現(xiàn)了量子自旋液體的新證據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)有望促進(jìn)基礎(chǔ)物理學(xué)和量子計(jì)算領(lǐng)域取得新突破。相關(guān)論文發(fā)表于《自然·物理學(xué)》雜志。
量子力學(xué)理論認(rèn)為，電子擁有“自旋”的性質(zhì)，這意味著其行為類(lèi)似微小的條形磁鐵。當(dāng)電子相互作用時(shí)，它們的“自旋”會(huì)對(duì)齊或反對(duì)齊（沿相反方向?qū)R）。但在某些材料（如錫酸鈰）內(nèi)，這種對(duì)齊/反對(duì)齊可能被破壞。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為磁阻挫，可能產(chǎn)生量子自旋液體等有趣的量子現(xiàn)象。不過(guò)，盡管名字中帶有“液體”二字，這種現(xiàn)象可在包括固體在內(nèi)的多種物質(zhì)狀態(tài)中表現(xiàn)出來(lái)。
早在1973年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主菲利普·沃倫·安德森就提出了量子自旋液體的概念。這種特殊物質(zhì)狀態(tài)的主要特征是：即使冷卻到絕對(duì)零度（-273℃），其內(nèi)部電子的自旋仍保持無(wú)序狀態(tài)。因?yàn)殡S著材料冷卻，自旋方向會(huì)持續(xù)波動(dòng)。
研究團(tuán)隊(duì)表示，量子自旋液體對(duì)于模擬宇宙中光和粒子之間的相互作用具有重要意義，但證明其存在極具挑戰(zhàn)性。在最新研究中，他們利用中子散射等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段以及理論模型，首次觀察到了這種物質(zhì)狀態(tài)。
團(tuán)隊(duì)表示，中子散射是分析磁體自旋行為的有力工具。他們?cè)诜▏?guó)格勒諾布爾勞厄-朗之萬(wàn)研究所的一臺(tái)專(zhuān)業(yè)光譜儀上進(jìn)行了中子散射實(shí)驗(yàn)，獲得了分辨率極高的數(shù)據(jù)，并通過(guò)理論分析，發(fā)現(xiàn)了量子自旋液體存在的證據(jù)。
這一最新成果將幫助人們?cè)谟刹牧蟽?nèi)電子自旋構(gòu)成的“宇宙”中，尋找其他類(lèi)似磁單極子的粒子。磁單極子只有一個(gè)磁極，就像電子只攜帶一個(gè)負(fù)電荷一樣。這些發(fā)現(xiàn)將加深人類(lèi)對(duì)宇宙以及物質(zhì)在最小尺度上如何運(yùn)作的理解。
