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物理學家發現了第一種可能的3-D量子自旋液體

沒有已知的方法來證明三維“量子旋轉液體”的存在,因此賴斯大學的物理學家和他們的合作者做了下一個最好的事情:他們展示了他們的單晶鈰鋯燒綠石有合適的東西可以作為第一個可能的3長期尋求的物質狀態的-D版本。

盡管名稱如此,量子自旋液體是一種固體材料,其中量子力學的奇怪特性- 糾纏 - 確保液態磁性狀態。

在本周的自然物理學論文中,研究人員提供了大量實驗證據 - 包括在橡樹嶺國家實驗室(ORNL)進行的關鍵中子散射實驗和瑞士保羅謝勒研究所(PSI)的μ子自旋弛豫實驗 - 以支持他們的案例單晶形式的鈰鋯燒綠石是第一種符合3-D量子自旋液體的材料。

“量子自旋液體是科學家根據你看不到的東西定義的,”賴斯的彭成棠說,該研究的對應作者,賴斯量子材料中心(RCQM)的成員。“你沒有看到旋轉安排的長期秩序。你不會看到混亂。以及其他各種各樣的事情。不是這個。不是那樣。沒有確鑿的正面認同。”

研究小組的樣品被認為是同類產品中的第一個:Pyrochlores,因為它們的鈰,鋯和氧的比例為2比7比7,因為它們內部的原子排列成連續的,不間斷的格子。

“我們已經完成了我們可以想到的關于這種化合物的每一個實驗,”戴說。“(研究合著者)艾米莉亞·莫羅桑在萊斯的研究小組進行了熱容量研究,表明材料沒有經歷相變到50毫克的相變。我們做了非常仔細的晶體學,證明晶體沒有混亂。我們做了μ子旋轉松弛實驗表明,沒有長程磁序低至20毫克,我們做了衍射實驗,證明樣品沒有氧空位或其他已知缺陷。最后,我們做了非彈性中子散射,表明存在自旋激發連續體 - 這可能是量子旋轉液體標志 - 降至35毫克。“

物理學和天文學教授戴先生將這項研究的成功歸功于他的同事們,特別是聯合主要作者Bin Gao和Tong Chen以及共同作者David Tam。水稻博士后研究員高先生在羅格斯大學共同作者Sang-Wook Cheong實驗室的激光浮區熔爐中制作了單晶樣品。湯,水稻博士 學生,幫助Bin在ORNL進行實驗,產生了一個旋轉激發連續體,表明存在產生短程有序的自旋糾纏,而Tam,也是一位稻米博士。學生,在PSI帶領muon旋轉旋轉實驗。

盡管團隊的努力,戴說,不可能明確地說鈰鋯227是一種旋轉液體,部分原因是物理學家還沒有就實現該聲明所必需的實驗證據達成一致,部分原因是因為量子自旋的定義液體是一種存在于絕對零度溫度的狀態,是一種超出任何實驗范圍的理想狀態。

據信量子自旋液體存在于由磁性原子,特別是晶體排列組成的固體材料中。導致磁性的電子的固有特性是自旋,電子自旋只能指向上或下。在大多數材料中,旋轉是隨意洗牌的,就像一副牌,但磁性材料是不同的。在冰箱和MRI機器內的磁鐵中,旋轉感覺到它們的鄰居并將它們集中在一個方向上。物理學家將此稱為“遠程鐵磁有序”,而遠程磁性有序的另一個重要例子是反鐵磁性,其中自旋共同以重復,上下,上下模式排列。

賴斯理論物理學家和研究公司說:“如果你知道旋轉在旋轉周期,你可以知道旋轉是做什么的,因為長程有序,旋轉會做多次,多次重復。” -author Andriy Nevidomskyy,物理與天文學副教授和RCQM成員。“另一方面,在液體中,沒有長程有序。例如,如果你看一兩毫米的水分子,就沒有任何相關性。然而,由于它們的氫 - 氫鍵,它們仍然可以與附近的分子在非常短的距離內進行有序排列,這將是短程有序的一個例子。“

1973年,諾貝爾獎獲得者物理學家菲利普安德森提出了量子自旋液體的概念,其基礎是認識到某些晶體中原子的幾何排列可能使糾纏自旋不可能在穩定的排列中共同定位。

正如科學作家Philip Ball在2017年恰當地描述的那樣,“想象一個反鐵磁 - 其中相鄰的自旋傾向于相反定向 - 在三角形晶格上。每個自旋在三角形中有兩個最近鄰,但反平行對齊不能滿足所有一種可能性是自旋晶格凍結成無序的“玻璃”狀態,但Anderson表明量子力學允許即使在絕對零度(溫度)下也能產生波動的自旋。這種狀態稱為量子自旋液體,安德森后來暗示它可能與高溫超導性有關。“

自20世紀80年代以來,量子自旋液體可能解釋高溫超導的可能性引起了凝聚態物理學家的廣泛興趣,并且Nevidomskyy表示,當“建議所謂的拓撲量子旋轉液體的一些例子可能適合建造時,興趣進一步增加量子計算的量子比特。

“但我相信量子自旋液體的一部分好奇心在于它在許多化身和理論建議中重新出現,”他說。“雖然我們有理論模型我們知道,事實上,結果將是一種旋轉液體,找到一種能夠滿足這些性質的實際物質材料到目前為止已經證明是非常困難的。在該領域沒有達成共識到目前為止,任何材料-2-D或3-D-都是量子旋轉液體。“

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