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截止目前還沒有一種已知的方法來證明三維“量子自旋液體”存在，現在萊斯大學物理學家和合作者研究表明：鈰鋯焦氯酸鹽單晶是合適的材料，可以作為長期尋找物質狀態的第一個三維版本。量子自旋液體是一種固體材料，儘管名字不同，其中量子力學奇特性質（糾纏）確保了液體般的磁性狀態。現在在發表於《自然物理》的一篇研究論文中，研究人員提供了大量的實驗證據。

包括橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的關鍵中子散射實驗和瑞士保羅舍勒研究所（PSI）的介子自旋弛松性實驗來支援本研究觀點：即鈰鋯焦氯酸鹽單晶是第一個具備三維量子自旋液體資格的材料。萊斯大學量子材料中心（RCQM）成員、該研究的通訊作者戴鵬程（音譯）說：量子自旋液體是科學家根據我們看不到的東西來定義。在旋轉的排列中，看不到長程的順序。也看不到混亂，以及其他各種各樣的東西。本研究樣本被認為是同類樣本中的第一個：因為鈰、鋯和氧的比例是2比7。

單晶因為其中的原子排列在一個連續、不間斷的晶格中。對這種化合物做了能想到的所有實驗，證明這種材料在50毫開爾文以下不經歷相變。研究做了非常仔細的晶體學來表明晶體中沒有無序，還做了介子自旋弛豫實驗，結果表明，在20毫開爾文以下的範圍內，沒有長程磁序；同時也做了衍射實驗，結果表明，樣品沒有氧空位或其他已知缺陷。最後做了非彈性中子散射，結果顯示自旋激發連續體存在（這可能是一個量子自旋液體hallmark）低至35毫開爾文。

可能的三維量子自旋液體

這些實驗產生了一個自旋激發連續體，表明存在產生短程有序的自旋糾纏。儘管研究小組做出了努力，但不能確切地說鈰鋯227是一種自旋液體，部分原因是物理學家還沒有就發表宣告所需的實驗證據達成一致，

部分原因是量子自旋液體的定義是一種存在於絕對零度的狀態

，是任何實驗都無法達到的理想狀態。量子自旋液體被認為存在於由磁性原子組成的固體材料中，特別是晶體結構。導致磁性的電子固有性質是自旋，而電子自旋只能指向上或下。

在大多數材料中，自旋像一副紙牌一樣隨機打亂，但磁性材料不同。在冰箱和核磁共振成像儀內部的磁鐵中，自旋感應到它們的鄰居，並將它們集中在一個方向上。物理學家稱之為“長程鐵磁序”，另一個長程鐵磁序的重要例子是反鐵磁性，它的自旋以一種重複上下上下的模式排列。萊斯理論物理學家、該研究的合著者、物理學和天文學副教授、RCQM成員安德里·納索洛姆斯基（Andriy n循譜斯基）說：在具有周期性自旋排列的固體中，如果知道一個自旋在這裡做什麼

就能知道另一個自旋在做什麼，由於長期的順序，可以知道一個自旋在做很多很多次重複。另一方面，在液體中，沒有長期秩序。例如，如果觀察兩個相隔一毫米的水分子，就會發現它們之間沒有任何關聯。然而，由於它們的氫鍵，仍然可以在很短的距離內與附近分子有序排列，這將是短程有序的一個例子。1973年，諾貝爾獎得主物理學家 菲利普·沃倫·安德森 提出了量子自旋液體的概念，他認識到，某些晶體中原子的幾何排列，可能使糾纏自旋不可能以穩定的排列集體定向。

正如著名科學作家Philip Ball描述的那樣：想象一個反鐵磁（相鄰的自旋傾向於相反方向）在一個三角形晶格上，每個自旋在一個三角形中都有兩個相距最短的鄰域，但是反平行對齊不能滿足所有這三個。一種可能性是自旋晶格凍結成無序的“玻璃態”，但，量子力學甚至允許在絕對零度（溫度）下也存在自旋波動的可能性。這種狀態被稱為量子自旋液體，安德森後來提出，這可能與高溫超導有關。自20世紀80年代以來，量子自旋液體可能解釋高溫超導，引起了凝聚態物理學家的廣泛興趣。

一些所謂拓撲量子自旋液體的例子，可能有助於構建量子計算的量子位，這進一步提高了人們的興趣。但研究人員相信，人們對量子自旋液體的好奇部分在於，它已經以許多形式和理論建議重新出現。儘管有現有理論模型，我們知道，事實上，結果將是一種自旋液體，但迄今為止，發現一種能夠實現這些特性的實際物理材料非常困難。到目前為止，該領域還沒有達成共識，即任何物質（二維或三維）都是量子自旋液體。

博科園｜研究/來自：萊斯大學

參考期刊《自然物理》

DOI： 10。1038/s41567-019-0577-6

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