美揭示量子自旋液體的存在機(jī)理

據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)8月15日?qǐng)?bào)道，美國(guó)馬里蘭大學(xué)伯克分校聯(lián)合量子研究所（JQI）、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和喬治敦大學(xué)的科學(xué)家揭示了物質(zhì)的量子狀態(tài)——自旋液體的存在機(jī)理，有望加深科學(xué)家對(duì)超導(dǎo)性的理解。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在8月12日出版的《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》上。
    自旋液體不是人們能觸摸到的物質(zhì)，它像一個(gè)有序排列的原子陣列內(nèi)的磁無(wú)序狀態(tài)。自旋是所有磁現(xiàn)象的關(guān)鍵。例如，在鐵磁鐵中，原子自旋采用同樣的方式排列。而在反鐵磁鐵中，原子的自旋方向會(huì)上下改變，上世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)材料就是如此。
    在新實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們研究了當(dāng)“挫敗”現(xiàn)象出現(xiàn)于一種具有六邊形晶胞網(wǎng)格的物質(zhì)中時(shí)所發(fā)生的情況。物質(zhì)內(nèi)的原子通過(guò)各自的自旋相互作用。距離最近的原子之間交互作用的強(qiáng)度用J1表示；次近的原子之間的作用力用J2表示。科學(xué)家們讓六邊形晶格中的原子相互作用，觀察并計(jì)算了可能會(huì)出現(xiàn)的狀態(tài)。
    科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，就像溫度變化會(huì)使水以不同形態(tài)存在一樣，自旋之間交互作用的強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化，形成“萬(wàn)花筒”似的多樣狀態(tài)。其中一種狀態(tài)被證明為無(wú)序的量子自旋液體，當(dāng)J2為J1值的21%到36%之間時(shí)，“挫敗”誘導(dǎo)自旋進(jìn)入無(wú)序狀態(tài)，整個(gè)樣本同時(shí)存在著數(shù)百萬(wàn)種量子狀態(tài)。
    參與研究的科學(xué)家加里塔斯基表示，很難想象一個(gè)微小的二維物質(zhì)能同時(shí)以如此多狀態(tài)存在，人們應(yīng)把自旋看成像粒子一樣自由運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)體，即自旋振子，其會(huì)結(jié)合在一起，就像水分子結(jié)合成液態(tài)水一樣，因此得名量子自旋液體。而且，其與金屬內(nèi)部發(fā)生的情況類(lèi)似，在金屬內(nèi)部，大多數(shù)原子的外層電子會(huì)離開(kāi)其“宿主”原子，在金屬內(nèi)漂移，好像它們組成了液體（費(fèi)密液體）。
    自旋液體材料有什么作用呢？現(xiàn)在還很難說(shuō)，但有人推測(cè)，這些材料能支持某些奇異的超導(dǎo)性或?qū)⒁恍┫窳Ｗ右粯訐碛须姾傻膶?shí)體組織起來(lái)。