科学家发现一种新的量子自旋液体

单于逸谦
导读利物浦大学和麦克马斯特大学领导的国际研究团队在寻找新物质态方面取得重大突破。研究人员发表在《自然物理学》杂志上的一项研究表明,钙钛

利物浦大学和麦克马斯特大学领导的国际研究团队在寻找新物质态方面取得重大突破。

研究人员发表在《自然物理学》杂志上的一项研究表明,钙钛矿相关金属氧化物TbInO 3具有量子自旋液态,这是一种长期追求的不寻常的物质状态。

利用前沿的实验技术,包括非弹性中子散射和子光谱学,研究人员发现TbInO 3中的奇异量子态来自于材料中磁性离子周围局域环境的复杂性。在这种情况下,稀土元素铽。

这一发现让团队感到惊讶,因为TbInO 3是一种根据其晶体结构不想表现出这种异常磁行为的材料。

40年前,诺贝尔奖获得者菲利普安德森在理论上提出了量子自旋液体。在量子自旋液体中,磁矩的行为像液体一样,即使在绝对零度也不会冻结或有序,从而产生一些非凡的材料性质。

量子自旋液体的物化仍然受到广泛质疑。因此,发现和探索这种物质状态下可能存在的新材料是先进材料研究的一个活跃领域,在量子计算的发展中具有潜在的应用。

负责该大学材料创新工厂量子材料研究项目的露西克拉克博士说:“我们花了几年的努力和实验,才达成了对TbInO 3的理解。”

“在研究像量子自旋液体这样的复杂物质的量子态时,进行一项实验往往会引出比它能回答的更多的问题。但是在TbInO 3的情况下,物理特别丰富,所以我们特别执着。我们的研究表明,TbInO 3是一种有吸引力的磁性材料,最有可能为我们提供更多有趣的特性。”

“如果没有我们在橡树岭国家实验室世界领先的中心设施和卢瑟福阿普尔顿实验室的ISIS设施的同事们的合作,这项工作是不可能完成的,我们的大部分实验都是在那里进行的。这两个设施都产生粒子——特别是中子和子——我们可以用它们来检测材料的原子结构和属性,以揭示新相的属性,如量子自旋液体。

马斯特斯大学布鲁克豪斯材料研究所主任布鲁斯郜林教授说,“这种材料看起来非常简单,它可以用二维三角形结构来装饰。然而,随着我们所掌握的现代实验技术的充分补充,这种结构的低温磁性是基于两种不同的铽环境,呈现出一种完全奇特的量子无序物质状态——一个意想不到的令人兴奋的结果。”

露西克拉克博士补充道:“项目成功的关键是强大而持久的国际合作,包括罗格斯大学量子材料合成中心主任Sang-Wook Cheong教授领导的团队。”

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