寻找混乱的时刻

技术的未来在很大程度上依赖于新材料，但是开发这些材料的工作在人们知道它们的任何具体应用之前就已经开始了。加州大学圣巴巴拉分校工程学院(UC Santa Barbara’s College of Engineering)材料学教授斯蒂芬•威尔逊(Stephen Wilson)就在这个“很久以前”的领域工作，试图创造出展现出令人满意的新状态的新材料。

摘要“Field-tunable量子基态无序的三角形栅格反铁磁性物质NaYbO2,”发表在《自然》杂志上物理,威尔逊和他的同事们Leon Balents校园卡夫的理论物理研究所,和马克·舍温物理系教授,描述他们的发现的长期“量子自旋液体状态”材料NaYbO2(钠氧化镱)。这项研究由材料专业的学生米切尔·博尔德龙(Mitchell Bordelon)领导，还包括物理专业的学生刘春晓、Marzieh Kavand和yuqi Lyu，以及化学专业的本科生洛伦佐·波苏马(Lorenzo Posthuma)，以及波士顿学院(Boston College)和美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology)的合作者。

在原子水平上，一种材料晶格结构中的电子与另一种材料中的电子表现不同，无论是单独的还是集体的。具体来说，“自旋”，或电子的固有磁矩(类似于天生的条形磁铁)及其与附近电子的磁矩通信和协调的倾向因材料而异。已知存在各种类型的自旋系统和这些时刻的集体排列模式，材料科学家一直在寻找新的自旋系统，包括那些已经假设但尚未被证明存在的自旋系统。

威尔逊解释说:“在某些特定的、更经典的时刻，你可以非常肯定地知道自旋指向一个特定的方向。”“在这些情况下，量子效应很小。但在某些时刻，量子效应很大，你无法精确地确定自旋的方向，所以存在不确定性，我们称之为‘量子涨落’。”

量子磁态是指一种材料的磁性主要由这种量子涨落驱动的状态，这种涨落通常由磁矩固有的不确定性原理推导而来。威尔逊说:“你想象一个磁矩，但测不准原理说，我不能把它完美地指向任何一个方向。”

在解释量子自旋液态时，威尔逊说:“在传统材料中，磁矩相互作用，并想要相对定向，以形成某种有序的模式。在经典材料中，这个顺序被热波动打乱，威尔逊将其描述为“来自环境的热量”。

他解释说:“如果这种材料足够热，它就是非磁性的，这意味着力矩之间相互混杂。”“一旦材料冷却，力矩就开始传递，这样它们之间的联系就会超过热量波动，形成有序状态。”这是古典魅力。”

但在量子世界中，情况是不同的，波动的磁矩实际上可能是一种物质固有的基态。

威尔逊说:“因此，你可以问，是否存在一种磁态，在这种磁态中，力矩不受冻结，也不受相互之间形成某种长期有序模式的影响，而不是受热涨落的影响，而是受量子涨落的影响。”“当一种物质冷却时，量子涨落变得更加相关，而当它升温时，热涨落会增加，所以你想要找到一种磁铁，在你能让它足够冷却之前，它不会排序，直到量子涨落阻止它排序。”

这种量子无序是可取的，因为它与纠缠有关，纠缠是一种量子力学性质，使量子信息编码成为可能。为了确定内波2是否会表现出这种特性，研究人员必须确定当所有的热波动都被消除时，材料磁矩的固有或基态。在这个特殊的系统中，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，从而证实量子无序状态的存在。

为了找到假设的状态，威尔逊说，“首先，你必须把高度量子磁矩放入一种材料中，但你的材料需要构造成这样，使得这些磁矩不需要排序。”你可以利用‘磁性挫折’的原理来做到这一点。”

根据威尔逊的观点，一个简单的方法是，想象一个三角形在材料的晶格结构中。“假设我把我的材料做成这样，磁矩都位于一个三角形晶格上，”他说，“它们之间的相互作用使它们想要确定反铁磁方向，或者说是反平行的方向。”

在这种排列中，三角形上的任何邻边力矩都要与邻边反平行。但是因为有奇数个点，所以在一点上有一个点向上，在第二点上有一个点向下(与第一个点反平行)，这意味着第三个力矩在每一边都有一个不同方向的力矩，所以它不知道该怎么做。所有的时刻都在相互竞争。

威尔逊说:“这是一种磁性挫败感，事实证明，它降低了温度，在这个温度下，这些时刻最终能够找到一些他们都同意的安排。”例如，经典地说，自然决定，在某个温度下，不匹配的力矩一致，它们都指向相对于彼此120度的方向。所以他们并不都百分百快乐，但这是建立有序状态的妥协。”

在此基础上，他补充道:“我们的想法是，将一个已经抑制有序状态的受挫晶格，加入量子涨落，当你冷却材料时，量子涨落就会占据主导地位。”磁挫折感降低了足够的有序温度，最终量子涨落占据主导地位，系统可以稳定到基本无序的量子自旋状态。”

威尔逊继续说:“这就是人们寻找的范例;然而，有些材料似乎显示了这种状态，而实际上它们并没有。例如，所有真实的材料都是无序的，比如化学或结构无序，这也可以阻止磁矩之间有效地相互交谈并变得有序。在这种情况下，威尔逊说，“它们可能形成无序状态，但它更像是一个冻结的，或静态的无序状态，而不是动态量子状态。

“所以，如果我有一个磁性系统，它在我能测量的最低温度下没有顺序，那么要弄清楚我所测量的是一种内在的量子自旋液体波动状态，还是一种冻结的、外在的、化学驱动的无序状态，就会很棘手。这一直是有争议的。”

威尔逊说，关于这种新材料，最有趣的发现之一是，即使在可测量的最低温度——绝对零度以上0.005摄氏度——它仍然不有序。

“然而，在这种材料中，我们还可以施加磁场，打破由磁挫折引起的竞争，然后我们可以使其有序，诱导一种特殊的反铁磁状态，”他补充说。“这一点很重要，因为这种特殊的状态非常微妙，它能很好地反映出系统中有多少化学无序，以及它对磁性基态的影响。我们可以驱动这个场驱动态的事实告诉我们，我们在低温零磁场下看到的无序态，本质上确实是量子无序态，与量子自旋液体态一致