量子物理學從根本上改變人類對物質結構及其相互作用的理解，世界各地的科學家們正在努力利用這一學科在工程應用中所獲得的新知識來引發技術革命。自旋電子學，英語：Spintronics，即是這樣的一個新興的領域，旨在通過使用電子自旋作為一種傳輸信息的方式，從而超越傳統電子學的極限。
但是，可以使用自旋操作的設備的設計極具挑戰性，需要在異乎尋常的狀態下使用新的材料，有些科學家還沒有完全理解並且還沒有進行過實驗觀察。
在今天的《自然通訊》上發表的最新研究中，東京理科大學應用物理系的科學家描述了一種新合成的分子式為KCu6AlBiO4（SO4）5Cl的化合物，該化合物可能是理解難以捉摸的「量子自旋液體「（quantum spin liquid，簡寫： QSL）狀態。可以通過實驗觀察到這種狀態，這增強了對自旋行為及其在下一代「自旋電子」設備中的集成的認知。
研究人員表示：「觀察量子自旋液體狀態是凝聚態物理以及新自旋電子器件開發的最重要目標之一。但是，量子自旋液體狀態是二維的，由於存在混亂或與理想模型的偏差，在實際材料中尚未清楚地觀察到這樣的系統。」
在低於特定溫度的反鐵磁材料中，電子的自旋會自然地以大規模的圖案形式排列。但是，在處於量子自旋液體狀態的材料中，自旋以類似於相對於結晶冰相、如液態水中的分子無序的方式排列。這種無序排列現象是由一種稱為「幾何失穩」的結構現象引起的，在這種現象中，沒有可能對所有電子對稱且在能量上有利的自旋構型。
幾何失穩，又稱為幾何受挫，英語為：geometrical frustration，或簡單地：frustration，是凝聚體物理學中的一種特殊現象，表現為原子傾向於粘附在不平常的位置，或者在規則晶格中相互衝突的原子力（每一個都傾向於相當簡單但不同的結構）會導致相當複雜的結構。由於幾何形狀或力的受阻，在接近低溫零度下可能會導致大量不同的基態，並且在較高溫度下可能會抑制常規的熱排序。
KCu6AlBiO4（SO4）5Cl是一種新合成的化合物，其銅原子以一種特殊的二維模式排列，即所謂的「方形籠目格（square kagome lattice ，簡寫：SKL）」排列，這種排列有望通過「受挫」產生量子自旋液體狀態。
該研究論文合著者、滿田節男（Setsuo Mitsuda）教授指出：「缺乏方形籠目格系統的模型化合物，阻礙了對其自旋狀態的更深入理解。為此，我們合成了第一個方形籠目格反鐵磁體KCu6AlBiO4（SO4）5Cl，並證明了在極低的量子自旋液體狀態溫度下沒有磁性排序。」
使用過去的研究模型通過理論計算無法獲得實驗結果。該研究方法考慮了晶體網絡中每個銅離子與其最近的鄰居之間的相互作用。研究人員解釋說：「為消除差異，我們使用了各種參數集考慮了近鄰的相互作用，計算了方形籠目格模型。但是無法重現實驗結果。正確地進行實驗，需要通過進一步的交互來計算模型。」
實驗與計算之間的分歧突出表明，有必要完善現有的理論方法，論文合著者、高山隆山教授得出結論：「雖然我們合成的方形籠目格反鐵磁體是研究方形籠目格磁性的第一個候選人，但我們可能必須考慮更長距離的相互作用在我們的模型中獲得量子自旋液體。這是揭示量子自旋液體狀態本質的理論挑戰。」我們希望物理學家設法應對這一挑戰，使我們又更接近自旋電子學的美好前景。
參考：Gapless spin liquid in a square-kagome lattice antiferromagnet, Nature Communications. Published: 09 July 2020