量子自旋液体新证据发现

量子自旋液体新证据发现

引用

中国科学院

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https://www.cas.cn/kj/202412/t20241217_5042727.shtml

量子自旋液体是一种特殊的物质状态，其内部电子自旋即使在绝对零度下仍保持无序状态。近日，一个由瑞士、美国、法国等多国科学家组成的国际团队在锡酸铈材料中发现了量子自旋液体的新证据，这一发现有望推动基础物理学和量子计算领域的发展。

用中子对自旋液体进行激发（示意图）。图片来源：科学消息网

量子力学理论认为，电子拥有“自旋”的性质，这意味着其行为类似微小的条形磁铁。当电子相互作用时，它们的“自旋”会对齐或反对齐（沿相反方向对齐）。但在某些材料（如锡酸铈）内，这种对齐/反对齐可能被破坏。这种现象被称为磁阻挫，可能产生量子自旋液体等有趣的量子现象。不过，尽管名字中带有“液体”二字，这种现象可在包括固体在内的多种物质状态中表现出来。

早在1973年，诺贝尔物理学奖得主菲利普·沃伦·安德森就提出了量子自旋液体的概念。这种特殊物质状态的主要特征是：即使冷却到绝对零度（-273℃），其内部电子的自旋仍保持无序状态。因为随着材料冷却，自旋方向会持续波动。

研究团队表示，量子自旋液体对于模拟宇宙中光和粒子之间的相互作用具有重要意义，但证明其存在极具挑战性。在最新研究中，他们利用中子散射等先进实验手段以及理论模型，首次观察到了这种物质状态。

团队表示，中子散射是分析磁体自旋行为的有力工具。他们在法国格勒诺布尔劳厄-朗之万研究所的一台专业光谱仪上进行了中子散射实验，获得了分辨率极高的数据，并通过理论分析，发现了量子自旋液体存在的证据。

这一最新成果将帮助人们在由材料内电子自旋构成的“宇宙”中，寻找其他类似磁单极子的粒子。磁单极子只有一个磁极，就像电子只携带一个负电荷一样。这些发现将加深人类对宇宙以及物质在最小尺度上如何运作的理解。

本文原文来自中国科学院网站