科技日報記者 劉霞

一個由瑞士、美國、法國等多國科學(xué)家組成的國際團(tuán)隊(duì)宣布，他們在錫酸鈰材料發(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)，這意味著其行為類似微小的條形磁鐵。當(dāng)電子相互作用時，它們的“自旋”會對齊或反對齊（沿相反方向?qū)R）。但在某些材料（如錫酸鈰）內(nèi)，這種對齊/反對齊可能被破壞。這種現(xiàn)象被稱為磁阻挫，可能產(chǎn)生量子自旋液體等有趣的量子現(xiàn)象。不過，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。

早在1973年，諾貝爾物理學(xué)獎得主菲利普·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：即使冷卻到絕對零度（-273℃），其內(nèi)部電子的自旋仍保持無序狀態(tài)。因?yàn)殡S著材料冷卻，自旋方向會持續(xù)波動。

研究團(tuán)隊(duì)表示，量子自旋液體對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。他們在法國格勒諾布爾勞厄-朗之萬研究所的一臺專業(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在由材料內(nèi)電子自旋構(gòu)成的“宇宙”中，尋找其他類似磁單極子的粒子。磁單極子只有一個磁極，就像電子只攜帶一個負(fù)電荷一樣。這些發(fā)現(xiàn)將加深人類對宇宙以及物質(zhì)在最小尺度上如何運(yùn)作的理解。