科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了新的量子自旋液體

由利物浦大學(xué)和麥克馬斯特大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組在尋找新的物質(zhì)狀態(tài)方面取得了重大突破。

研究 人員在“ 自然物理學(xué) ”雜志上發(fā)表 的 一項(xiàng)研究表明，鈣鈦礦相關(guān)的金屬氧化物TbInO 3具有量子自旋液態(tài)，是一種長期追求和不尋常的物質(zhì)狀態(tài)。

利用尖端實(shí)驗(yàn)技術(shù)，包括非彈性中子散射和μ子光譜，研究人員發(fā)現(xiàn)TbInO 3中的奇異量子態(tài) 來自材料中磁性離子周圍局部環(huán)境的復(fù)雜性，在這種情況下，稀土元素鋱。

這一發(fā)現(xiàn)令團(tuán)隊(duì)感到意外，因?yàn)門bInO 3 是一種不希望根據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)顯示出這種異常磁性行為的材料。

四十年前，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者菲利普安德森(Philip Anderson)在理論上提出了量子自旋液態(tài)。在量子自旋液體中，磁矩表現(xiàn)得像液體，即使在絕對零度下也不會(huì)凍結(jié)或排序，從而產(chǎn)生一些非凡的材料特性。

量子自旋液體的物化仍然受到廣泛質(zhì)疑。因此，發(fā)現(xiàn)和探索可能存在這種物質(zhì)狀態(tài)的新材料是先進(jìn)材料研究的活躍領(lǐng)域，并且在量子計(jì)算的發(fā)展中具有潛在的應(yīng)用。

來自大學(xué) 材料創(chuàng)新工廠的 負(fù)責(zé)量子材料研究項(xiàng)目的 Lucy Clark博士說：“我們花了幾年的努力和實(shí)驗(yàn)來達(dá)到我們對TbInO 3的理解。”

“當(dāng)研究像量子自旋液體這樣復(fù)雜的物質(zhì)量子態(tài)時(shí)，進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)往往會(huì)引發(fā)更多的問題而不是它能夠回答的問題。然而，在TbInO 3的情況下，物理學(xué)特別豐富，因此我們特別堅(jiān)持不懈。我們的研究表明，TbInO 3 是一種引人入勝的磁性材料，最有可能為我們提供更多有趣的特性。“

“如果沒有我們的同事在橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室的世界領(lǐng)先的中心設(shè)施 和盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室的ISIS設(shè)施 的合作，這項(xiàng)工作就不可能完成，我們 的大部分實(shí)驗(yàn)都在那里進(jìn)行。這兩種設(shè)施都產(chǎn)生顆粒 - 特別是中子和μ子 - 我們可以用來探測材料的原子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以揭示新相的性質(zhì)，例如量子自旋液體。

麥克馬斯特大學(xué)布魯克豪斯材料研究所所長布魯斯·高林教授說：“這種材料看起來很簡單，鋱紡可以裝飾一個(gè)二維的三角形結(jié)構(gòu)。但是，憑借我們所掌握的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)的全部補(bǔ)充，這種結(jié)構(gòu)的低溫磁性基于兩種不同的鋱環(huán)境，呈現(xiàn)出完全奇特的量子無序物質(zhì)狀態(tài) - 一種意想不到的令人興奮的結(jié)果。“

Lucy Clark博士補(bǔ)充說：“項(xiàng)目成功的關(guān)鍵是強(qiáng)大而持久的國際合作，包括由羅格斯大學(xué)量子材料合成中心主任Sang-Wook Cheong教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)。”