物理学家发现第一种可能的3D量子自旋液体

没有已知的方法可以证明存在三维“量子自旋液体”，因此赖斯大学的物理学家及其合作者做了下一个最好的事情：他们证明了他们的烧绿铈铈锆单晶具有合适的材料，可以作为第一个可能的3D寻求已久的状态的版本。

尽管名称如此，但量子自旋液体是一种固体材料，其中量子力学的怪异特性(纠缠)确保了类似液体的磁态。

在本周《自然物理学》上的一篇论文中，研究人员提供了大量实验证据-包括橡树岭国家实验室(ORNL)的关键中子散射实验和瑞士Paul Scherrer研究所(PSI)的μ子自旋弛豫实验-支持他们的研究。例如，单晶形式的烧绿铈铈是第一种具有3D量子自旋液体性质的材料。

赖斯的通讯作者，赖斯量子材料中心(RCQM)成员说：“量子自旋液体是科学家根据您看不到的东西定义的。” “您看不到旋转排列的长距离顺序。您看不到混乱。还有其他各种事情。不是这个。不是那个。没有结论性的积极认同。”

研究小组的样品被认为是同类样品中的第一类：烧绿石由于铈，锆和氧的比例为2比2和7，而单晶则是因为其中的原子以连续，不间断的方式排列格子。

戴说：“我们已经完成了我们可以想到的关于该化合物的所有实验。” “(研究合著者)赖斯的艾米莉亚·莫罗桑小组所做的热容量研究表明，该材料在低至50毫ikelvin时没有发生相变。我们非常仔细的晶体学分析表明该晶体没有紊乱。我们进行了μon自旋弛豫实验表明没有低至20毫基尔文的远距离磁阶，我们进行了衍射实验，表明样品没有氧空位或其他已知缺陷;最后，我们进行了非弹性中子散射，表明存在自旋激发连续体-可能是量子自旋液体的标志-降至35毫基尔文。”

戴学成是物理学和天文学教授，他将研究的成功归功于他的同事们，尤其是合著者高斌和陈彤以及合著者谭大伟。莱斯大学的博士后研究人员高在罗格斯大学合著者张相旭的实验室中在激光浮区炉中制备了单晶样品。童彤博士 这名学生帮助Bin在ORNL进行了实验，该实验产生了一个自旋激发连续体，该自旋激发连续体表示产生短程有序的自旋纠缠，而Tam也是莱斯大学的博士学位。学生，在PSI领导了μ子自旋旋转实验。

尽管研究小组付出了巨大的努力，但戴说，不可能确切地说铈锆227是一种自旋液体，部分原因是物理学家尚未就做出声明所必需的实验证据达成一致，部分是因为量子自旋的定义液体是在绝对零温度下存在的状态，这是任何实验都无法达到的理想状态。

据信量子自旋液体出现在由磁性原子组成的固体材料中，特别是晶体排列。导致磁性的电子的固有特性是自旋，而电子自旋只能向上或向下指向。在大多数材料中，自旋像纸牌一样随机洗牌，但磁性材料却不同。在冰箱和MRI机器上的磁铁中，自旋感测到它们的邻居，并将它们自己集体朝一个方向排列。物理学家称之为“远距离铁磁阶”，而远距离磁阶的另一个重要例子是反铁磁，其中自旋共同以重复，上下，上下的模式排列。

赖斯理论物理学家和研究人员说：“在一个周期性排列自旋的固体中，如果您知道自旋在这里进行了什么，您将知道自旋是在进行很多次重复，因为它们的长程有序。”作者Andriy Nevidomskyy，物理学和天文学副教授，RCQM成员。“另一方面，在液体中，没有长程顺序。例如，如果看两个相距一毫米的水分子，则没有任何关联。但是，由于它们的氢-氢键，它们仍然可以在很短的距离内与附近的分子形成有序排列，这将是近距离排列的一个例子。”

1973年，诺贝尔奖获得者物理学家菲利普·安德森(Philip Anderson)提出了量子自旋液体的概念，这一认识是基于某些晶体中原子的几何排列可能使纠缠的自旋不可能集体地将自身定向为稳定的排列。

正如著名科学作家菲利普·鲍尔(Philip Ball)在2017年恰当地描述的那样，“想象一下一个反铁磁体-相邻的自旋倾向于在三角形晶格上相反地取向。每个自旋在三角形中有两个最近的邻居，但是不能满足反平行排列的要求。对于所有这三者，一种可能性是自旋晶格冻结成无序的“玻璃态”，但安德森证明了量子力学甚至允许在绝对零(温度)下使自旋波动的可能性，这种状态称为量子自旋液体，安德森后来提出，它可能与高温超导有关。”

自1980年代以来，量子自旋液体可能解释高温超导的可能性激起了凝聚态物理学家的广泛兴趣，Nevidomskyy表示，当“被认为某些所谓的拓扑量子自旋液体的例子可能适合建造时，这种兴趣进一步增加了”量子比特”。

他说：“但是我相信，有关量子自旋液体的好奇心部分在于它已在许多化身和理论建议中浮出水面。” “尽管我们拥有理论模型，但实际上我们知道结果将是自旋液体，到目前为止，找到一种能够满足这些特性的实际物理材料非常困难。在该领域尚无共识。直到现在，任何材料-2D或3D-都是量子自旋液体。”