未来信息技术:三维量子自旋液体态揭秘

量子自旋液体是一种即使在零温下也不会发生对称性自发破缺的量子物质形态。其基本概念最早由诺贝尔获得者P. W. Anderson在1973年提出。之后,人们尝试利用自旋液体来解释高温超导的现象。近年来,随着实验上大量阻挫量子自旋材料的出现,找到具有自旋液体基态的材料变得越来越有可能。从实验和理论两个方面,量子自旋液体已成为凝聚态物理学量子多体问题研究的一个热点方向。Kagome 晶格作为一种强阻挫晶格,是实现量子自旋液体的理想模型。

最近柏林亥姆霍兹中心发现了三维量子自旋液体行为,是由于所谓的超Kagome晶格(hyper hyperkagome lattice)造成的。实验数据与HZB进行的理论模拟非常吻合。

如今IT设备都是基于半导体中的电子过程。下一个真正的突破可能是利用其他量子现象,例如材料中的微小磁矩之间的相互作用,即所谓的自旋。所谓的量子自旋液体材料可以成为这种新技术的候选材料。它们与传统的磁性材料有很大的区别,因为量子波动支配着磁性相互作用。由于晶格中的几何约束,自旋不能全部以基态“冻结”在一起–它们被迫波动,即使在接近绝对零度的温度下也是如此。

量子自旋液体:一种罕见的现象

量子自旋液体很少见,迄今为止主要在二维磁系中发现。三维各向同性自旋液体主要是在磁离子形成烧绿石或超晶格栅的材料中寻找。目前,由HZB物理学家Bella Lake教授领导的一个国际团队对PbCuTe2O6样品进行了研究,该样品具有三维晶格,称为(hyper-hyperkagome lattice)超Kagome晶格。

模拟磁性相互作用

HZB物理学家Johannes Reuther教授计算出了这样一个具有四种磁相互作用的三维超光子晶格的行为,并表明该系统表现出量子自旋液态行为,具有特定的磁能谱。

未来信息技术:三维量子自旋液体态揭秘
结合磁相互作用形成了超三维Kagome晶格,该晶格允许3D量子自旋液体行为。

中子源实验发现三维量子自旋液体行为

通过在英国ISIS、英国ILL、法国ILL和美国NIST进行的中子实验,该团队能够证明这种预测行为的非常微妙的信号。研究数据与计算结果的吻合程度非常高。这让我们看到了希望,我们可以真正理解这些系统中发生了什么。

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