美揭示量子自旋液體的存在機理

　　據美國物理學家組織網8月15日報道，美國馬里蘭大學伯克分校聯合量子研究所（JQI）、美國國家標準與技術研究院（NIST）和喬治敦大學的科學家揭示了物質的量子狀態——自旋液體的存在機理，有望加深科學家對超導性的理解。相關研究結果發表在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，它像一個有序排列的原子陣列內的磁無序狀態。自旋是所有磁現象的關鍵。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年代發現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”現象隨處可見，一個“挫敗”自旋系統的妥協是同時存在很多自旋方向，量子系統允許出現這種疊加狀態。

　　在新實驗中，科學家們研究了當“挫敗”現象出現于一種具有六邊形晶胞網格的物質中時所發生的情況。物質內的原子通過各自的自旋相互作用。距離最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的狀態。

　　科學家們發現，就像溫度變化會使水以不同形態存在一樣，自旋之間交互作用的強度也會發生變化，形成“萬花筒”似的多樣狀態。其中一種狀態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，整個樣本同時存在著數百萬種量子狀態。

　　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能同時以如此多狀態存在，人們應把自旋看成像粒子一樣自由運轉的實體，即自旋振子，其會結合在一起，就像水分子結合成液態水一樣，因此得名量子自旋液體。而且，其與金屬內部發生的情況類似，在金屬內部，大多數原子的外層電子會離開其“宿主”原子，在金屬內漂移，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將一些像粒子一樣擁有電荷的實體組織起來。