铈焦绿石是第一个有资格作为长期寻找的物质状态
There’s没有已知的方式来证明一个三维“quantum旋转liquid”存在,所以赖斯大学的物理学家和他们的合作者的下一个最好的事情:他们显示单一的铈锆晶体烧绿石有正确的东西成为第一个可能的3 d版本的长期状态的物质。
莱斯大学的物理学家(左起)陈彤，戴鹏程，谭大卫，安德里·纳索洛姆斯基，高斌和艾米利亚·莫罗桑是一项自然物理研究的共同作者，该研究发现铈锆焦斑石的单晶是第一种可能的三维量子自旋液体，这种材料在1973年首次提出理论。(杰夫·菲特洛/莱斯大学)
尽管名为量子自旋液体，但它是一种固体材料，其中量子力学
2的奇特纠缠特性确保了它处于液体般的磁性状态。
在《自然—物理学》本周的一篇论文中,研究人员提供了一些列的实验证据
2包括至关重要的中子散射实验在橡树岭国家实验室(ORNL)和子自旋弛豫实验Switzerland’s保罗谢勒研究所(PSI)
2来支持他们的铈锆烧绿石,以单晶形式,是第一个材料,有资格作为一个3 d量子自旋液体。
’s量子材料中心(RCQM)成员、该研究的通讯作者戴鹏程说，“A量子自旋液体是科学家根据你没有看到的来定义的。你看不出自旋排列的长期次序。你没有看到混乱。以及其他各种各样的东西。It’s不是这个。It’s不是。there’没有确凿的肯定的证据
研究团队’s的样品被认为是同类样品中的第一个:焦小体，因为它们的铈、锆和氧的比例是2比7;单晶，因为其中的原子排列在一个连续的、不间断的晶格中。
“我们对这种化合物做了我们能想到的所有实验，”戴说。“(研究合著者)艾米莉亚·莫罗萨纳6038s小组在莱斯大学做了热容实验，证明材料在50毫克利艾文以下不经历相变。我们做了非常仔细的晶体学来表明晶体中没有无序。我们做了介子自旋弛豫实验，结果表明，在20毫克尔文以下的范围内，没有长程磁序;我们做了衍射实验，结果表明，样品没有氧空位或其他已知缺陷。最后，我们做了非弹性中子散射实验表明自旋激发连续体
2的存在这可能是量子自旋液体的标志
2到35米利克文
在橡树岭国家实验室y’s散裂中子源的CORELLI束流上，高斌是一项关于第一个可能的三维量子自旋液体的自然物理研究的联合首席作者。(ORNL/Genevieve Martin摄)
物理学和天文学教授戴将这项研究的成功归功于他的同事们，尤其是合著者高斌、陈彤和合著者谭大卫。高是莱斯大学的博士后研究员，他在罗格斯大学的合作作者相武昌的实验室里，用激光浮区炉制作了这些单晶样品。佟是莱斯大学的博士生，他帮助宾在ORNL实验室进行了一系列实验，这些实验产生了一个自旋激发连续体，表明存在产生短程有序的自旋纠缠。谭也是莱斯大学的博士生，他在PSI实验室领导了μ子自旋旋转实验。
尽管team’s努力,戴说不可能明确说cerium-zirconium 227是一个自旋液体,部分原因是物理学家haven’t尚未同意实验证明是必要的声明,还有部分原因是量子自旋液体的定义是在绝对零度的温度下,存在一个理想的实验。
量子自旋液体被认为存在于由磁性原子组成的固体材料中，特别是晶体结构。导致磁性的电子的固有性质是自旋，而电子自旋只能指向上或下。在大多数材料中，自旋像一副纸牌一样随机打乱，但磁性材料不同。在冰箱和核磁共振成像仪内部的磁铁中，自旋感应到它们的邻居，并将它们集中在一个方向上。物理学家称之为“长程铁磁序”，另一个长程铁磁序的重要例子是反铁磁性，它的自旋以一种重复的上下上下的模式排列。
在橡树岭国家实验室(ORNL)进行的实验中，在铈锆焦绿石单晶样品中观察到量子自旋液体
2的一个可能特征，即自旋激发连续体的三维表示。在ORNL’s散裂中子源上进行的非弹性中子散射实验表明，自旋激发连续存在于冷却至低35毫克利文的铈锆焦绿石样品中。(陈彤/莱斯大学摄影)
“In周期性排列的固体旋转,如果你知道什么是自旋做在这里,你可以知道什么是自旋做很多很多重复,因为远程秩序,”水稻理论物理学家和研究的合著者安德烈Nevidomskyy说,物理学和天文学的副教授和RCQM成员。另一方面，“在液体中没有长期顺序。例如，如果你观察两个相隔一毫米的水分子，就会发现它们之间没有任何关联。然而，由于它们的氢键，它们仍然可以在很短的距离内与附近的分子有序排列，这就是短程有序的一个例子
1973年，诺贝尔奖得主物理学家菲利普·安德森提出了量子自旋液体的概念，他认识到，某些晶体中原子的几何排列可能使纠缠自旋不可能以稳定的排列集体定向。
正如著名科学作家Philip Ball在2017年恰当地描述的那样，假设有一个反铁磁体
2，其中相邻的自旋更倾向于在三角形晶格上对着定向。每个自旋在一个三角形中都有两个最近的邻域，但是反平行对齐不能满足所有这三个。一种可能性是自旋晶格冻结成无序的‘glassy’状态，但安德森证明量子力学允许在绝对零度(温度)下也存在自旋波动的可能性。这种状态被称为量子自旋液体，安德森后来提出它可能与高温超导有关
量子自旋液体可能解释高温超导激起了广泛的兴趣凝聚态物理学家自1980年代以来,Nevidomskyy说兴趣进一步增加“suggested时,所谓的一些示例拓扑量子自旋液体可能适合建筑qubits”量子计算。
橡树岭国家实验室(ORNL)仪器科学家曹慧波、莱斯大学博士后研究员高斌和ORNL仪器科学家加布里埃勒·萨拉、冯业和马特·斯通在CORELLI beamline的ORNL’s散裂中子源。(ORNL/Genevieve Martin摄)
他说:“但我相信，人们对量子自旋液体的好奇部分在于，它已经以许多形式和理论建议重新出现。“，尽管我们有理论模型，我们知道，事实上，结果将是一个自旋液体，但是找到一个实际的物理材料来实现这些特性，到目前为止，被证明是非常困难的。到目前为止，该领域还没有一致的意见，任何材料
2二维或三维
2是量子自旋液体
Morosan是莱斯大学物理与天文学、化学、材料科学和纳米工程教授，也是RCQM的成员。
RCQM利用全球合作伙伴关系和20多个水稻研究小组的优势来解决与量子材料有关的问题。RCQM是由莱斯’s办公室的教务长和副教务长的研究，威斯自然科学学院，布朗工程学院，小卷曲研究所和物理系和天文学，电子和计算机工程，材料科学和纳米工程。
其他研究的合作者包括水稻的黄建龙和胡浩宇;加州大学圣地亚哥分校的Kalyan Sasmal和Brian Maple;英国卢瑟福-阿普顿实验室的Devashibhai Adroja;冯烨、曹慧波、加布里埃尔·萨拉和马修·斯通，所有的中子散射部门在ORNL;Christopher Baines和Joel Barker，都是PSI;莱斯大学和首尔高丽大学的Jae-Ho Chung;罗格斯大学的许宪涵;圣地亚哥量子设计公司(Quantum Designs Inc.)的曼尼万南·纳莱扬(Manivannan Nallaiyan)和斯特凡诺·斯帕尼亚(Stefano Spagna);以及香港大学和上海复旦大学的陈刚。
该研究得到了美国能源部、罗伯特·a·韦尔奇基金会、美国国家科学基金会、韩国国家研究基金会、罗格斯大学、戈登和贝蒂·摩尔基金会’s EPiQS项目以及中国科技部的支持。
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