美国和德国物理学家的计算探测工作已经证实，铈锆烧绿石是一种 3D 量子自旋液体。
尽管有这个名字，但量子自旋液体是一种固体材料，其中量子纠缠和原子的几何排列阻碍了电子相互之间进行磁性排序的自然趋势。量子自旋液体中的几何挫折是如此严重，以至于电子在量子磁态之间波动，无论它们变得多冷。
理论物理学家经常使用显示量子自旋液体的量子力学模型，但找到令人信服的证据证明它们存在于实际物理材料中一直是一个长达数十年的挑战。虽然已经提出了许多 2D 或 3D 材料作为可能的量子自旋液体，但莱斯大学的物理学家 Andriy Nevidomskyy 表示，物理学家尚未就它们中的任何一个符合条件达成共识。
Nevidomskyy 希望这将基于他和来自佛罗里达州立大学莱斯大学和德国德累斯顿马克斯普朗克复杂系统物理研究所的同事在本月发表在开放获取期刊npj Quantum Materials上的计算调查而改变。
“根据我们今天拥有的所有证据，这项工作证实，在2019年被确定为候选3D量子自旋液体的铈的单晶体确实是具有分步自旋激发的量子自旋液体，”他说。
导致磁性的电子的固有特性是自旋。每个电子的行为就像一个带有北极和南极的微型条形磁铁，当被测量时，单个电子的自旋总是指向上方或下方。在大多数日常材料中，旋转是随机向上或向下的。但是电子本质上是反社会的，这可能会导致它们在某些情况下相对于它们的邻居来安排它们的自旋。例如，在磁铁中，自旋集中排列在同一方向上，而在反铁磁体中，它们以上下、上下的模式排列。
在非常低的温度下，量子效应变得更加突出，这导致电子在大多数材料中共同排列它们的自旋，即使是那些在室温下自旋指向随机方向的材料。量子自旋液体是一个反例，无论材料变得多冷，自旋都不会指向一个明确的方向——即使是向上或向下。
“就其本质而言，量子自旋液体是物质分馏状态的一个例子，”Nevidomskyy是物理学和天文学副教授，也是莱斯量子计划和莱斯量子材料中心(RCQM)的成员。 “单个激发不是从上到下的自旋翻转，反之亦然。它们是这些奇异的、离域的物体，带有一半的自旋自由度。就像半个自旋。”
Nevidomskyy 是赖斯实验物理学家戴鹏程领导的 2019 年研究的一部分，该研究发现了铈锆烧绿石是量子自旋液体的第一个证据。该团队的样品是同类中的第一个：烧绿石，因为它们的铈、锆和氧的比例为 2:2:7，而单晶则是因为内部的原子排列成连续的、不间断的晶格。Dai 及其同事的非弹性中子散射实验揭示了量子自旋液体的标志，这是在低至 35 毫开尔文的温度下测量的自旋激发的连续体。
Nevidomskyy说：“你可以说，他们发现了嫌疑人，并指控他犯罪。”“我们在这项新研究中的工作是向陪审团证明嫌疑人是有罪的。”
Nevidomskyy 及其同事使用最先进的蒙特卡罗方法、精确对角化以及分析工具构建了他们的案例，以对现有的铈锆焦绿石量子力学模型执行自旋动力学计算。该研究由 Nevidomskyy 和 Max Planck 的 Roderich Moessner 构思，蒙特卡洛模拟由佛罗里达州立大学的 Anish Bhardwaj 和 Hitesh Changlani 进行，Rice 的 Han Yan 和 Max Planck 的 Shu Zhang 做出了贡献。
“这个理论的框架是已知的，但确切的参数，其中至少有四个，是不知道的，”Nevidomskyy 说。“在不同的化合物中，这些参数可能具有不同的值。我们的目标是找到烧绿石铈的这些值，并确定它们是否描述了量子自旋液体。”
“这就像弹道学专家正在使用牛顿第二定律计算子弹的轨迹，”他说。“牛顿定律是众所周知的，但它只有在提供初始条件（如子弹的质量和初始速度）时才具有预测能力。这些初始条件类似于这些参数。我们必须进行逆向工程，或者探查，‘那些初始条件是什么？这种铈材料内部的条件？“这与量子自旋液体的预测相符吗？”
为了建立一个令人信服的案例，研究人员根据先前发表的铈锆烧绿石实验研究的热力学、中子散射和磁化结果对该模型进行了测试。
Nevidomskyy 说：“如果你只有一项证据，你可能会无意中发现几个模型仍然符合描述。实际上，我们匹配的不是一个，而是三个不同的证据。所以，一个候选人必须匹配所有三个实验。”
一些研究表明，在量子自旋液体中出现的相同类型的量子磁波动可能是非常规超导性的原因。但 Nevidomskyy 表示，计算结果主要是物理学家的根本兴趣。
“作为物理学家，这满足了我们发现自然如何运作的内在愿望。”他说。“据我所知，没有任何应用会从中受益。它并没有立即与量子计算联系在一起，尽管已经有了使用分块激发作为逻辑量子位平台的想法。”
他说，物理学家特别感兴趣的一点是量子自旋液体与磁单极子的实验实现之间的深层联系，磁单极子是宇宙学家和高能物理学家仍在争论其潜在存在的理论粒子。
Nevidomskyy 说：“当人们谈论分馏时，他们的意思是，系统的行为就像一个物理粒子，就像一个电子，分裂成两半，四处游荡，然后在某个地方重新组合。”“在我们研究的这种烧绿石磁体中，这些流浪物体的行为更像量子磁单极子。”
磁单极子可以可视化为孤立的磁极，例如单个电子的朝上或朝下的磁极。
他说:“当然，在经典物理学中，一个人永远不可能只隔离磁棒的一端。南北磁单极子总是成对出现的。但在量子物理学中，磁单极子是可以假设存在的，量子理论学家在大约100年前建立了磁单极子来探索量子力学的基本问题。”
Nevidomskyy说：“据我们所知，在我们的宇宙中，磁单极子并不以原始形式存在。但事实证明，在这些铈焦绿石量子自旋液体中确实存在一种奇特的单极子。一次自旋翻转会产生两个被称为自旋的分步准粒子，它们的行为类似于单极子，并在晶格中徘徊。”
这项研究还发现，在铈锆烧绿石中，单极子样的自旋是以一种不寻常的方式产生的。由于烧绿石中磁性原子的四面体排列，研究表明它们在低温下形成了八极磁矩——具有八极的类自旋磁性准粒子。研究表明，材料中的自旋是由这些八极源和更传统的偶极自旋矩产生的。
Nevidomskyy 说：“我们的模型确定了这两种成分相互作用的确切比例。” “它开启了对烧绿石铈材料和一般八极量子自旋液体的理论理解的新篇章。”
参考链接：
https://phys.org/news/2022-05-sleuthing-3d-quantum-liquid.html
https://www.nature.com/articles/s41535-022-00458-2
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