近日，科學(xué)家首次觀測到物質(zhì)的一種新量子態(tài)。

來自加拿大蒙特利爾大學(xué)的團(tuán)隊(duì)在一種磁性材料——由鈰、鋯和氧組成的化合物Ce2Zr2O7中，觀察到一種“量子自旋液體基態(tài)”。相關(guān)成果發(fā)表在《物理評論X》(Physical Review X)。

量子物理學(xué)是一門致力于描述原子和亞原子粒子行為，并闡明其特性的科學(xué)學(xué)科。在量子物理學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家會(huì)發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)狀態(tài)。

自旋是一種與電子旋轉(zhuǎn)有關(guān)的內(nèi)部屬性，并使磁體中的材料具有磁性。但在一些材料中，自旋會(huì)導(dǎo)致無序結(jié)構(gòu)，類似于液體中的分子，因此有了“自旋液體”的說法。

一般來說，隨著溫度升高，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)變得更加紊亂。例如，當(dāng)水變成水蒸汽。而自旋液體的主要特點(diǎn)為，即使冷卻到絕對零度(-273°C)，它們依然是無序的。因?yàn)殡S著材料冷卻，自旋方向持續(xù)波動(dòng)，并非像傳統(tǒng)磁體那樣穩(wěn)定在固態(tài)(一般在這樣的固態(tài)下，所有自旋方向都是對齊的)。

如果把電子想象成一個(gè)小型指南針，它可以指向上方或下方。在傳統(tǒng)磁體中，電子自旋的方向都是相同的，向上或向下，形成所謂的“鐵磁性”，比如磁鐵可以將照片和便條“貼”在冰箱上。

但在量子自旋液體中，電子被放置在一個(gè)三角形晶格中，形成一個(gè)“三角關(guān)系”，其特征是強(qiáng)烈的擾動(dòng)干擾了其順序，形成了無磁序的糾纏波函數(shù)。

“當(dāng)加入第三個(gè)電子時(shí)，電子的自旋方向不能對齊，因?yàn)橄噜彽膬蓚€(gè)電子的自旋方向總是相反的，導(dǎo)致了我們所說的磁阻挫。這產(chǎn)生了能保持自旋無序的激發(fā)，因此即使在非常低的溫度下也能保持自旋液體的特征。”加拿大蒙特利爾大學(xué)物理學(xué)教授Andrea Bianchi說道，“Ce2Zr2O7是一種具有磁性的鈰基材料，這一化合物是已知的存在。我們的突破在于創(chuàng)造了一種獨(dú)特的純粹形態(tài)，使用在光學(xué)爐中熔化的樣品來產(chǎn)生近乎完美的原子三角形排列，然后檢測其量子態(tài)。”

前述三角形排列使科學(xué)家能夠在Ce2Zr2O7材料中制造磁阻挫，并測量出這種化合物的磁擴(kuò)散。

Bianchi表示，“我們的測量顯示了重疊的粒子函數(shù)，因此沒有古典磁序的明顯跡象。我們還觀察到具有連續(xù)波動(dòng)方向的自旋分布，這是自旋液體和磁阻挫的特征，表明我們創(chuàng)造的材料在低溫下的表現(xiàn)正如自旋液體。”

利用計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證前述觀測結(jié)果后，該團(tuán)隊(duì)證實(shí)他們觀測到了一種新的量子態(tài)。

“確定物質(zhì)的一種新量子態(tài)是每個(gè)物理學(xué)家的夢想。”Bianchi認(rèn)為，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的材料具有革命性，被首次證明是以自旋液體的形式存在。“這一發(fā)現(xiàn)可能為設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)的新方法打開大門。”