量子自旋液体。免费技术图书馆新闻

量子自旋液体

22.03.2018

1987 年，诺贝尔物理学奖获得者 Paul W. Anderson 提出，高温超导现象可能与被称为量子自旋液体的奇异物质量子态有关。在这种状态下，物质粒子的磁矩表现得像液体，然而，即使在绝对零温度下，这种液体也不会“冻结”。这种奇异的物质状态被认为是在量子计算系统中使用的有希望的候选者，然而，直到最近，科学家们还未能获得适用于各种量子技术的自旋液体。

就在最近，来自芬兰阿尔托大学、巴西物理研究中心 (CBPF)、布伦瑞克工业大学和名古屋大学的研究人员首次成功地创造了一种超导量子自旋液体，其特性尽可能接近保罗安德森预测的理论流体的性质。由于阿尔托大学开发的控制某些磁性材料特性的技术，量子自旋液体的创造成为可能。

现有的高温超导体大多以氧化铜为基础，其中铜离子形成方形晶格，相邻离子的磁矩指向相反的方向。当这种细长的晶体结构通过改变铜的氧化态而被破坏时，这种材料就变成了超导体。然而，用具有d10和d0电子结构的离子代替普通铜离子，使整个晶体结构变成了量子自旋液体。

“在未来，d10/d0 离子交换方法可以应用于许多其他类型的磁性材料，使我们能够创造出一系列具有独特量子特性的新材料，”阿尔托大学研究员 Otto Mustonen 说。

为了记录创建量子自旋液体的事实并确定其特性，科学家们使用了自旋光谱技术。该技术基于类电子基本粒子（例如 μ 子）与所研究材料的相互作用。这种方法甚至能够确定量子材料中存在的最弱磁场。

“除了精密和高质量的设备外，这类研究还需要物理学家、化学家和其他领域科学家的合作，”Maarit Karppinen 教授说，“但在这样一个多学科团队的共同努力下，我们将能够研究量子自旋液体的性质，接近于所谓的拓扑量子计算机的实际创造”。

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