美揭示量子自旋液體的存在機理http://www.xldjsj.com/st175729

美國馬里蘭大學伯克分校聯(lián)合量子研究所（JQI）、美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）和喬治敦大學的科學家揭示了物質(zhì)的量子狀態(tài)——自旋液體的存在機理，有望加深科學家對超導性的理解。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在8月12日出版的《物理學評論快報》上。

    自旋液體不是人們能觸摸到的物質(zhì)，它像一個有序排列的原子陣列內(nèi)的磁無序狀態(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，原子的自旋方向會上下改變，上世紀80年代發(fā)現(xiàn)的高溫超導材料就是如此。

    科學家們表示，可能存在著更復雜、更令人感興趣的磁排列，它可能會產(chǎn)生量子自旋液體。比如，有一個等邊三角形的反磁鐵，每個角上都有一個原子自旋，其中一個自旋向上，一個自旋向下，那么第三個原子采用什么方向自旋呢？它不可能同時與前兩個方向相反，因此，物理學家用“挫敗”來描述所有需求無法得到滿足的情況。這種“挫敗”現(xiàn)象隨處可見，一個“挫敗”自旋系統(tǒng)的妥協(xié)是同時存在很多自旋方向，量子系統(tǒng)允許出現(xiàn)這種疊加狀態(tài)。

    在新實驗中，科學家們研究了當“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)中時所發(fā)生的情況。物質(zhì)內(nèi)的原子通過各自的自旋相互作用。距離zui近的原子之間交互作用的強度用J1表示；次近的原子之間的作用力用J2表示。科學家們讓六邊形晶格中的原子相互作用，觀察并計算了可能會出現(xiàn)的狀態(tài)。

    科學家們發(fā)現(xiàn)，就像溫度變化會使水以不同形態(tài)存在一樣，自旋之間交互作用的強度也會發(fā)生變化，形成“萬花筒”似的多樣狀態(tài)。其中一種狀態(tài)被證明為無序的量子自旋液體，當J2為J1值的21%到36%之間時，“挫敗”誘導自旋進入無序狀態(tài)，整個樣本同時存在著數(shù)百萬種量子狀態(tài)。

    參與研究的科學家加里塔斯基表示，很難想象一個微小的二維物質(zhì)能同時以如此多狀態(tài)存在，人們應(yīng)把自旋看成像粒子一樣自由運轉(zhuǎn)的實體，即自旋振子，其會結(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)生的情況類似，在金屬內(nèi)部，大多數(shù)原子的外層電子會離開其“宿主”原子，在金屬內(nèi)漂移，好像它們組成了液體（費密液體）。

    自旋液體材料有什么作用呢？現(xiàn)在還很難說，但有人推測，這些材料能支持某些奇異的超導性或?qū)⒁恍┫窳Ｗ右粯訐碛须姾傻膶嶓w組織起來。