布朗大学的研究人员在理解量子自旋液体(一种复杂的物质状态)方面取得了长足的进步。标准磁体会随着温度的降低而凝固，而量子自旋液体则保持在一种流动状态。最近的一项研究聚焦于化合物H3LiIr2O6，深入研究了无序在这些材料中的作用。他们发现，量子液态不会模仿或被无序破坏，而是经历了重大的改变。这项研究为量子技术带来了希望，特别是在量子计算领域。
量子自旋液体很难解释，更难以理解。
首先，它们与水或果汁等日常液体无关，而是与特殊的磁铁及其旋转方式有关。在普通磁铁中，当温度下降时，电子的自旋基本上会冻结并形成固体。然而，在量子自旋液体中，电子的自旋不会冻结——相反，电子保持恒定的流动状态，就像它们在自由流动的液体中一样。
量子自旋液体是迄今为止所设想的纠缠程度最高的量子态之一，它们的特性是科学家们认为可以推动量子技术发展的关键应用。尽管人们花了50年的时间寻找它们，并有多种理论指出它们的存在，但没有人看到过这种物质状态的确切证据。事实上，由于直接测量量子纠缠的困难，研究人员可能永远不会看到这些证据，阿尔伯特·爱因斯坦将这种现象称为“幽灵般的远距离作用”。这是两个原子连接起来的地方，无论它们相距多远，都能交换信息。
无序在量子自旋液体中的作用
围绕量子自旋液体的神秘导致了关于凝聚态物理中这种奇异物质的主要问题，这些问题到目前为止还没有得到解答。但在《自然通讯》的一篇新论文中，由布朗大学领导的物理学家组成的团队通过引入物质的一个新阶段，开始阐明一个最重要的问题。
这一切都归结为混乱。
布朗大学物理学助理教授、这项新研究的资深作者肯普·普拉姆(Kemp Plumb)解释说，“所有材料在某种程度上都有无序性”，这种无序性与一个系统的微观组成方式的数量有关。例如，一个有序的系统，如固体晶体，几乎没有办法重新排列，而一个无序的系统，如气体，没有真正的结构。
在量子自旋液体中，无序引入的差异本质上与液体背后的理论相悖。一种流行的解释是，当无序引入时，材料不再是量子自旋液体，而只是处于无序状态的磁铁。“所以，最大的问题是量子自旋液态是否在无序存在的情况下存在，如果存在，它是如何存在的?”帕朗柏说。
研究人员通过使用世界上最亮的x射线来分析他们研究的化合物中的电磁波来解决这个问题，以寻找量子自旋液体的蛛丝马迹。测量结果表明，不仅材料在低温下没有磁性有序(或冻结)，而且系统中存在的无序也不会模仿或破坏量子液态。
他们发现，这确实会显著改变它。
“量子液态某种程度上幸存了下来，”普拉姆说。“它不会像普通磁铁那样冻结。它保持在这个动态状态，但它就像那个动态状态的去相关版本。我们现在的解释是，量子自旋液体在整个材料中被分解成小水坑。”
启示与未来研究
这些发现基本上表明，他们所研究的材料，也就是量子自旋液体的主要候选者之一，似乎确实接近于量子自旋液体，但有一个额外的成分。研究人员假设这是一种无序的量子自旋液体，使其成为无序物质的新阶段。
普拉姆说:“这种材料可能发生的一件事是，它变成了非量子自旋液态的无序版本，但我们的测量结果会告诉我们这一点。”“相反，我们的测量结果表明，这是非常不同的东西。”
这些结果加深了我们对无序如何影响量子系统以及如何解释它的理解，这在探索这些材料用于量子计算时很重要。
这项工作是普拉姆在布朗大学的实验室对奇异磁态的长期研究的一部分。这项研究的重点是化合物H3LiIr2O6，这种材料被认为最适合作为一种特殊类型的量子自旋液体的原型，称为基塔耶夫自旋液体。虽然已知H3LiIr2O6在低温下不会冻结，但在实验室中制造H3LiIr2O6是出了名的困难，而且已知H3LiIr2O6中存在无序，这使得它是否真的是一种自旋液体变得模糊。
布朗大学的研究人员与波士顿学院的合作者一起合成了这种材料，然后使用伊利诺斯州阿贡国家实验室强大的x射线系统用高能光照射它。光激发了化合物的磁性，而来自它产生的波的测量是测量纠缠的一种变通方法，因为这种方法提供了一种观察光如何影响整个系统的方法。
研究人员希望通过改进方法、材料本身以及研究不同的材料来继续扩大这项工作。
“未来最重要的事情是我们一直在做的事情，那就是继续寻找元素周期表给我们提供的真正广阔的材料空间，”普拉姆说。“现在我们对我们放在一起的元素的不同组合如何影响相互作用或产生影响自旋液体的不同类型的无序有了更深入的了解。我们有了更多的指导，这非常重要，因为这确实是一个非常广阔的搜索空间。”
参考文献:A. de la Torre, B. Zager, F. Bahrami, M. H. Upton, J. Kim, G. Fabbris, G.-H.“蜂窝铱酸H3LiIr2O6中动量无关的磁激发连续体”。Lee, W. Yang, D. Haskel, F. Tafti和K. W. Plumb, 2023年8月18日，自然通讯。DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 40769 - x
布朗大学的其他作者包括前Plumb实验室博士后Alberto de la Torre Duran和现任研究生Ben Zager。这项工作得到了美国能源部的支持，该部门管理着阿贡国家实验室。
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希望本篇文章《物质的新阶段——研究人员详细描述了无序如何改变量子自旋液体》能对你有所帮助！
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