在某些磁性材料的深處，電子的行為似乎違反常識。與普通磁鐵的微小指針整齊排列不同，量子自旋液體中的自旋即使在接近絕對零度的環境下仍持續波動。物理學家稱這種奇特狀態為量子自旋液體，數十年來它一直是物理學中最難以捉摸的物質相之一。近期的一項新研究揭示了該異國狀態在實際材料中的清晰證據。通過研究一種具有特殊原子結構的精心製作的晶體，研究人員顯示量子自旋液體可能不是稀有案例，而是一整類材料的普遍特徵。這一結果可能改變科學家對量子物質的認知。
證明量子自旋液體存在的最大挑戰在於它們不留明顯的指紋。在普通磁鐵中，自旋形成有序的圖案，便於檢測。然而在量子自旋液體中，自旋從未穩定下來，它們的行為受到深層量子纏結的控制——這是一種粒子即使在分離後仍保持聯繫的現象。斯坦福大學的高級研究作者Young Lee表示：「我對理解量子自旋液體已經感興趣超過20年。這些是迷人的新量子物質狀態。從理論上講，它們的基態可能擁有長程量子纏結，而這在實際材料中極為罕見。」
迄今為止，科學家無法確定在實驗中觀察到的異常信號是否真的是量子自旋液體的跡象，還是特定材料的怪癖。為了解決這個問題，研究作者專注於具有「籌碼晶格」的材料，這是一種原子幾何排列，類似於互鎖三角形的圖案。這種結構自然地破壞了磁性有序性，使其成為承載量子自旋液體的理想候選者。研究人員在先前的研究中檢測到一種叫做herbertsmithite的籌碼材料的異常磁激發，然而批評者質疑：這些激發是普遍存在的，還是僅限於這一化合物？
為了回答這個問題，研究人員合成了另一種籌碼材料Zn-barlowite的高品質單晶。創造這類晶體雖然困難，但至關重要，因為乾淨且有序的樣本能夠進行精確測量。研究人員將晶體冷卻至極低溫，以觀察其最低能量或基態。然後，他們使用高分辨率非彈性中子散射技術向材料發射中子。中子是理想的探測工具，因為它們可以深度穿透晶體並直接與電子的自旋相互作用。通過分析中子的散射情況，科學家可以觀察自旋在空間中的相關性以及隨時間的波動。
他們的發現令人驚訝。這些激發並未像傳統的磁波（magnons）那樣行為，而是分解為被稱為自旋子（spinons）的較小部分。Lee指出：「我們的測量顯示籌碼自旋的基本激發以自旋子的形式出現，自旋子是典型magnon激發的分數化片段。」根據研究人員的說法，這只有在強量子纏結系統中才會發生。更引人注目的是，Zn-barlowite中的自旋子行為與研究團隊之前在herbertsmithite中觀察到的非常相似。這一發現表明這兩種材料擁有相同的基本量子自旋液體狀態，指向一種普遍現象，而非孤立案例。
這項研究標誌著凝聚態物理學的一個重要步驟，即在至少一種實際材料上達成廣泛共識，毫無疑問地擁有量子自旋液體基態。通過顯示兩種不同籌碼材料表現出相同的奇特激發，並且這些觀察結果與理論一致，該研究增強了量子自旋液體是實際存在且穩定的物質相的論據。在長期內，這些狀態可能具有深遠的影響。例如，量子自旋液體自然擁有長程量子纏結，這是量子計算、安全信息存儲和其他量子技術的關鍵成分。然而，實際應用仍然遙遙無期。一大限制是，科學家目前缺乏直接測量固態材料內部量子纏結的工具。希望未來的研究能克服這一長期挑戰。該研究發表在《自然物理學》期刊上。
