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科学家首次“看清”量子自旋液体,登上《自然》杂志

2019/11/20 1:49:57

科学家首次“看清”量子自旋液体,登上《自然》杂志

液态、固态、气态……这三类物质存在状态为日常所认知。这些之外,量子自旋液体——这一全新的物质态,正在物理学探究下,从模糊到渐渐清晰。近日,复旦赵俊与陈钢课题组观测到量子自旋液体中的分数化激发,这一结果为该体系中量子自旋液体态的实现提供了强有力的证据。

 

专家介绍,量子自旋液体是指系统中有很强的自旋关联,但是到绝对零度都不出现磁有序的一种新的物质态。这一概念最早在1973年由现代凝聚态之父安德森从理论上提出,并被用来解释高温超导机理,引起了广泛关注。

 

量子自旋液体这一概念一经提出,便吸引了众多物理学家的目光,这不仅源于其应用前景,如高温超导机理、量子计算,更因为其背后蕴含复杂深刻的物理。经过四十多年研究,人们已经取得了很多理论方面的成果,提出了多种多样的量子自旋液体的基态(在绝对零度时,全部粒子都处于能量可能的最低状态,也就是全部粒子都处于基态)。实验上对量子自旋液体的探索虽然也取得了一些成果,但公认的量子自旋液体存在的实验证据仍然缺乏。

a, 透明的YbMgGaO4单晶样品,具有镜面般平整的解理面。 b, 中子散射在70mK低温下测量的自旋子连续谱。 c, 基于自旋子费米面的粒子-空穴激发计算得到的激发谱。(制图 冯宇嘉)

 

不久前,一个新的量子自旋液体候选材料YbMgGaO4进入了课题研究人员的视线,这种准二维的三角晶格反铁磁体中,磁化率、比热等多种手段都没有发现低温下有反铁磁有序的迹象,说明其基态是一种无序态,这些特点均有可能帮助形成量子自旋液体基态。经过长时间的艰苦摸索,复旦大学的研究人员利用新建成的高温高压光学浮区单晶炉成功地培育出了高质量、大尺度的单晶样品,这让深入研究该样品的微观性质成为可能。

 

利用中子散射技术,研究人员首次在二维三角格子体系中观测到了完整的自旋子激发谱,这为量子自旋液体的实现提供了强有力的实验证据,其意义在于为量子自旋液体的研究注入了新的动力。

 

5日,相关研究论文在线发表于《自然》(Nature)杂志。审稿人对这项工作给予了高度评价:指出“数据质量非常高——比过去在《科学》和《自然》上面发表的最好的数据都更令人信服”,并称“对量子自旋液体的探索已经持续了四十余年,是量子材料中最深刻的问题之一,这个结果是原创性的、且非常重要”。

 

图片来源:冯宇嘉、视觉中国  图片编辑:笪曦