科学家发现了具有量子无序液体状磁矩特征的新的 长假设的物质状态

技术的未来在很大程度上依赖于新材料，但开发这些材料的工作是在知道任何具体应用之前几年开始的。加州大学圣塔芭芭拉分校工程学院的材料教授斯蒂芬威尔逊在“很久以前”的领域工作，寻求创造出具有理想新状态的新材料。

在论文“ 三角晶格反铁磁体NaYbO 2中的场可调谐量子无序基态 ”发表在自然物理学期刊上，Wilson及其同事Leon Balents，校园卡夫利理论物理研究所和Mark Sherwin教授，物理系描述了他们在材料NaYbO 2中长期寻找的“ 量子自旋液态 ”的发现(氧化镱钠)。该研究由材料学生Mitchell Bordelon领导，还包括物理学学生刘春晓，Marzieh Kavand和Yuanqi Lyu，本科化学学生Lorenzo Posthuma，以及波士顿学院和美国国家标准与技术研究所的合作者。

在原子水平上，一种材料的晶格结构中的电子单独地和共同地与另一种材料中的电子表现出不同的行为。具体而言，“旋转”或电子的固有磁矩(类似于固有的条形磁铁)及其与附近电子的磁矩通信和协调的倾向因材料而异。已知各种类型的自旋系统和这些力矩的排序的集体模式，材料科学家们一直在寻找新的，包括已被假设但尚未显示存在的那些。

威尔逊解释说：“有一些更经典的时刻可以让你非常确定旋转指向一个特定的方向。” “在那些方面，量子效应很小。但是在某些时刻量子效应很大，你无法精确定向自旋，因此存在不确定性，我们称之为'量子波动 '。”

量子磁态是指材料的磁性主要由这种量子涨落驱动的量子态，通常源于磁矩固有的不确定性原理。“所以，你想象一个磁矩，但不确定性原则说我无法在任何一个方向完美地定位，”威尔逊指出。

威尔逊解释了很久以前提出的量子自旋液态，并且是本文的主题，威尔逊说：“在传统材料中，磁矩彼此相互作用，并且希望相对于彼此定向以形成某种有序模式。 “ 在传统材料中，这种顺序被热波动所破坏，威尔逊称之为“只是来自环境的热量”。

“如果材料足够温暖，它就是非磁性的，这意味着这些时刻相互之间都是混乱的，”他解释道。“一旦材料冷却，瞬间就会开始通信，这样它们彼此之间的连接就会超过热波动并形成有序的状态。这就是经典的磁性。”

但量子世界的情况则不同，波动的磁矩实际上可能是材料固有的“基态”。

“因此，你可以询问是否存在一种磁性状态，其中的力矩不会冻结或形成一些相对于彼此的长程有序模式，而不是热波动，而是通过量子波动，”威尔逊说。“随着材料冷却，量子波动变得更加相关，而热量波动随着热量的增加而增加，所以你想要找到一个不会排序的磁铁，直到你可以让它变得足够冷却，这样量子波动就会阻止它进行排序。 “

这种量子紊乱是可取的，因为它与纠缠有关，量子力学质量使得编码量子信息成为可能。为了确定NaYbO2是否可能表现出这种特性，研究人员必须在消除所有热波动时确定材料磁矩的固有或基态。在这个特定的系统中，威尔逊能够通过实验确定磁矩本质上处于波动的无序状态，从而证实存在量子无序状态。

为了找到假设的状态，威尔逊说：“首先，你必须将高量子磁力矩投入到材料中，但是你的材料需要构造成使得这些时刻不需要订购。你可以通过使用'原理'来做到这一点。磁挫败。'“

根据威尔逊的说法，想到这一点的一个简单方法是想象材料的晶格结构中的单个三角形。“让我说我构建我的材料，以便磁矩都位于三角形格子上，”他说，“他们都以一种他们想要反铁磁或反平行的方式相互交谈。 “

在该布置中，三角形上的任何相邻时刻想要反向平行于其邻居。但是因为有一个奇数个点，你在第二点有一个向上一个向上(一个反向平行于第一个点)，这意味着第三个时刻在每一侧都有一个不同的方向，所以它不是知道要做什么。所有的时刻都在相互竞争。

威尔逊说：“这是磁性的挫败感，事实证明，它降低了温度，最终能够找到一些他们都同意的安排。” “所以，例如，经典，大自然决定在某个温度下不匹配的时刻同意他们都将指向相对于彼此的120度。所以他们并非都百分之百满意，但它是建立有序状态的妥协。 “

从那里，他补充说，“我的想法是采取一个沮丧的格子，你已经压制了有序状态，并增加量子波动，当你冷却材料时接管它。磁挫折降低了订购温度，所以量子波动最终会接管，系统可以稳定成一个基本无序的量子自旋状态。“

威尔逊继续说：“这是人们所寻找的范式;然而，实际上，某些材料似乎显示出这种状态，但事实并非如此。例如，所有真实材料都有无序，例如化学或结构混乱，这就是也可以防止磁矩有效地相互交谈并变得有序。在这种情况下，威尔逊说，“它们可能形成一种无序状态，但它更像是一种冻结或静态无序状态，而不是一种动态量子州。

“所以，如果我的磁系统不能在我能测量的最低温度下排序，那么试图理解我所测量的是一种内在的量子自旋液体波动状态还是一个冷冻的，外在的，这可能很棘手，化学驱动的无序状态。总是存在争议。“

威尔逊说，关于这种新材料最有趣的发现是，即使在最低可测温度 - 绝对零度以上0.005摄氏度 - 它仍然没有订购。

“然而，在这种材料中，我们还可以应用磁场，这可以打破磁挫折引起的竞争，然后我们可以将其驱动到有序，引发一种特殊的反铁磁状态，”他补充说。“重要的原因是因为这个特殊的状态是非常微妙的，并且是系统中存在多少化学物质及其对磁性基态的影响的非常好的指纹。我们能够驱动这种场驱动状态的事实告诉我们我们在低温和零磁场下看到的无序状态确实是一种固有的量子无序状态，与量子自旋液态一致。“

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