科學家在量子計算機的候選材料中發現物質奇異狀態的證據

2020-12-06 量子認知

設在佛羅裡達州大學的美國高磁場實驗室工作的研究人員使用一種新穎的技術，發現了一種量子自旋液體的物質奇異狀態的證據，量子自旋液體有望成為未來量子計算機的基礎。

在凝聚態物理學中，量子自旋液體（quantum spin liquid，縮寫：QSL）是物質的不尋常相，可以通過相互作用某些磁性材料中的量子自旋來形成。 量子自旋液體的一般特徵是其長程量子糾纏、分數激發和缺乏普通的磁階。

量子自旋液體態是物理學家菲爾·安德森（Phil Anderson）於1973年首次提出的，它是三角晶格上自旋系統與其近鄰反磁性相互作用的自旋系統的基態。 即相鄰的自旋試圖沿相反的方向對齊。1987年，安德森提出了一種以無序自旋液體狀態描述高溫超導性的理論，獲得1977年的諾貝爾物理學獎，量子自旋液體引起了人們的進一步關注。

研究人員在研究化合物三氯化釕中的所謂電子自旋時發現了令人興奮的行為。他們的發現發表在今天的《自然-物理》雜誌上，表明電子自旋在整個材料上相互作用，有效地降低了總能量。在高溫和高磁場下，在三氯化釕中檢測到這種行為（與量子自旋液體一致）。

如圖所示三氯化釕的晶體結構示意圖，顯示了釕離子和氯離子的簡單蜂窩狀晶格。氯在每個釕原子的電子自旋周圍形成的扭曲八面體是彼此的鏡像。這種扭曲是化合物異常行為的關鍵，這證明它可能包含量子自旋液體的一個例子。

自1973年首次提出以來，量子自旋液體一直是個謎。儘管某些材料對此物質狀態顯示出令人鼓舞的跡象，但要確定其存在仍然是極具挑戰性的。但是，人們對它們有極大的興趣，因為科學家認為它們可以用於多種應用（例如量子計算）中的更智能材料的設計。

物理學家金·莫迪奇（Kim Modic）說，這項研究為三氯化釕是一種自旋液體提供了有力的支持，「我認為論文為三氯化釕提供了新的視角，並展示了尋找自旋液體特徵的新方法。」

幾十年來，物理學家對電子的電荷進行了廣泛的研究，但是電子也具有自旋的性質。科學家們還希望利用電子的自旋方面來獲得技術，但是自旋的普遍行為尚未完全被理解。

簡而言之，電子可以認為是沿某個方向旋轉的軸旋轉。在磁性材料中，這些自旋沿相同或相反方向彼此對齊。這種行為稱為磁性排序，這種行為可以通過溫度或磁場來誘發或抑制。一旦抑制了磁序，就會出現更奇特的物質狀態，例如量子自旋液體。

磁性排序

為了尋找自旋液體，研究小組將三氯化釕放入了杯中。它的蜂窩狀結構在每個位置都有一個自旋，就像磁性的石墨烯一樣，這是凝聚態物理中的另一個熱門話題。釕比碳重得多，這導致自旋之間發生強烈的相互作用。

研究小組希望這些相互作用將增強材料的磁阻。這是一種「三人陪伴」的情況，其中兩個自旋成對出現，而第三個自旋則處於磁性邊緣，這阻礙了磁性排序。團隊認為，這種挫敗感可能導致旋轉液體狀態，他們的數據最終證實了他們的懷疑。

莫迪奇說：「在低溫和外加磁場下，三氯化釕似乎顯示出我們正在尋找的行為跡象。」 「這些自旋不僅僅根據相鄰自旋的排列來定向，而是動態的（例如旋轉的水分子），同時保持它們之間的某些相關性。」

莫迪奇說，該發現是由該團隊開發的一種新技術實現的，該新技術稱為共振扭轉磁力測定法，該技術可以精確地測量強磁場中電子自旋的行為，並可能導致有關磁性材料的許多其他新見解。

「我們真的沒有像研究電荷系統那樣擁有強大的技術或分析機制來研究電子自旋的激發。」 「確實存在的方法通常需要大樣本量，而這可能是無法獲得的。我們的技術非常靈敏，並且可以處理微小的細小樣本。這可能會改變這一研究領域。

這一技術涉及將三氯化釕樣品固定在一根髮絲大小的懸臂上。他們改變了石英音叉的用途，類似於石英晶體手錶，以在磁場中振動懸臂。他們沒有使用它來精確地顯示時間，而是測量了振動的頻率，以研究三氯化釕中的自旋與施加的磁場之間的相互作用，強大磁鐵中進行了測量。

研究人員表示，「我們的方法的優點在於，它是一個相對簡單的設置，它使我們能夠在35特斯拉的電阻磁體和65特斯拉的脈衝磁場中進行測量。」「如此高的磁場將使我們能夠直接觀察到自旋液態的抑制，這將幫助我們進一步了解該化合物的內部工作原理。」

參考：Scale-invariant magnetic anisotropy in RuCl3 at high magnetic fields, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038/s41567-020-1028-0

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