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首次观测到量子自旋液体基态 有望为量子计算机设计开辟新方向

2022-05-13 10:36:12    出处:科技日报

由来自美国、德国和加拿大的科学家组成的国际科研团队在最新一期《物理评论X》杂志上撰文称,他们在磁材料Ce2Zr2O7上首次观测到了“量子自旋液体基态”,最新研究有望为量子计算机设计开辟新方向。

自旋是电子拥有的与旋转有关的内部特,正是自旋使磁铁内的材料具有磁。在某些材料内,自旋会导致结构紊乱,类似于液体中的分子,因此有“自旋液体”这一说法。自旋液体的主要特征是,即使冷却到绝对零度(零下273摄氏度),它们仍保持无序状态,这是因为随着材料冷却,自旋方向持续波动,而非像传统磁铁那样在固态中稳定下来(在传统磁铁内,所有自旋都是对齐的)。

研究人员解释称,把一个电子想象成一个指向上或下的小指南针。在传统磁铁中,电子自旋都指向同一个方向,向上或向下,形成所谓的“铁磁相”。但在量子自旋液体内,电子置于一个三角形晶格中,形成三角形,其特征是强烈的湍流干扰了它们的顺序,结果是一个纠缠波函数,没有磁序。

最新研究负责人、蒙特利尔大学物理学教授安德里亚·比安奇解释说:“当添加第三个电子时,电子自旋无法对齐,因为两个相邻电子的自旋相反,这就产生了我们所说的磁阻挫。而这种基态这会产生激发,即使在非常低的温度下,也能维持自旋的无序,从而维持液态。”

比安奇表示,Ce2Zr2O7是一种具有磁的铈基材料,此前科学家已经制造出了这种化合物,新研究是以一种独特的纯净形式制造它,他们使用在光学炉中熔化的样品制造出了乎完美的三角形原子排列,然后检查量子态。结果表明,正是这个乎完美的三角形,使他们在Ce2Zr2O7中制造出了磁阻挫。

比安奇说:“我们的测量结果显示,粒子函数重叠,因此没有经典磁序的明显迹象。此外,我们还观察到自旋方向不断波动的分布,这是自旋液体和磁阻挫的特征,这表明我们所创造的材料在低温下表现得像真正的自旋液体。”

在通过计算机模拟证实这些观察结果后,研究小组得出结论,他们确实观测到了一种前所未见的量子态——量子自旋液体基态。(记者刘霞)

关键词: 量子自旋液体基态 量子计算机 计算机模拟 国际科研团队

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