科学家揭示量子自旋液体的存在机理

    美国马里兰大学伯克分校联合量子研究所（JQI）、美国国家标准与技术研究院（NIST）和乔治敦大学的科学家揭示了物质的量子状态——自旋液体的存在机理，有望加深科学家对超导性的理解。相关研究结果发表在8月12日出版的《物理学评论快报》上。

    自旋液体不是人们能触摸到的物质，它像一个有序排列的原子阵列内的磁无序状态。自旋是所有磁现象的关键。例如，在铁磁铁中，原子自旋采用同样的方式排列。而在反铁磁铁中，原子的自旋方向会上下改变，上世纪80年代发现的高温超导材料就是如此。

    科学家们表示，可能存在着更复杂、更令人感兴趣的磁排列，它可能会产生量子自旋液体。比如，有一个等边三角形的反磁铁，每个角上都有一个原子自旋，其中一个自旋向上，一个自旋向下，那么第三个原子采用什么方向自旋呢？它不可能同时与前两个方向相反，因此，物理学家用“挫败”来描述所有需求无法得到满足的情况。这种“挫败”现象随处可见，一个“挫败”自旋系统的妥协是同时存在很多自旋方向，量子系统允许出现这种叠加状态。

    在新实验中，科学家们研究了当“挫败”现象出现于一种具有六边形晶胞网格的物质中时所发生的情况。物质内的原子通过各自的自旋相互作用。距离最近的原子之间交互作用的强度用J1表示；次近的原子之间的作用力用J2表示。科学家们让六边形晶格中的原子相互作用，观察并计算了可能会出现的状态。

    科学家们发现，就像温度变化会使水以不同形态存在一样，自旋之间交互作用的强度也会发生变化，形成“万花筒”似的多样状态。其中一种状态被证明为无序的量子自旋液体，当J2为J1值的21%到36%之间时，“挫败”诱导自旋进入无序状态，整个样本同时存在着数百万种量子状态。

    参与研究的科学家加里塔斯基表示，很难想象一个微小的二维物质能同时以如此多状态存在，人们应把自旋看成像粒子一样自由运转的实体，即自旋振子，其会结合在一起，就像水分子结合成液态水一样，因此得名量子自旋液体。而且，其与金属内部发生的情况类似，在金属内部，大多数原子的外层电子会离开其“宿主”原子，在金属内漂移，好像它们组成了液体（费密液体）。

    自旋液体材料有什么作用呢？现在还很难说，但有人推测，这些材料能支持某些奇异的超导性或将一些像粒子一样拥有电荷的实体组织起来。