研究使自旋液体模型更逼真

自旋是粒子(例如电子)的固有磁矩。它是一个基本量级，就像质量和电荷一样。简单地说，就好像粒子内部有一块磁铁，使它即使在静止时也能相互作用，不仅与其他粒子的自旋，而且与外部磁场相互作用。

与通常的液体类比，即使在接近绝对零的温度下，自旋也不表现出磁序的系统被称为自旋液体。按照同样的逻辑，具有磁序的系统是自旋固体，因为其自旋的磁序类似于晶体中原子的周期序。

对这些系统的探索有助于科学家了解物质的基本方面，并最终可能导致重要的实际应用——拓扑量子计算。出于这个原因，该领域正在进行大量的研究工作。一个例子是发表在《物理评论快报》上的文章“Kitaev自旋液体中的无序、低能激发和拓扑””。

“Kitaev模型[由AlexeiYurievichKitaev制定，1963年出生于俄罗斯，现已入籍美国公民和加州理工学院教授]是一种二维自旋液体。它非常有趣，但有些人为。原始模型预计将出现在真实材料中，这就是我们调查的内容，”该文章的最后一位作者EricAndrade告诉AgênciaFAPESP。安德拉德是巴西圣保罗大学圣卡洛斯物理研究所(IFSC-USP)的教授。

Andrade和VitorDantas，其博士学位。他监督的研究，研究了Kitaev的模型在存在缺陷和干扰(如磁场和其他相互作用)的情况下如何在蜂窝晶格中表现。

“自2009年以来，已有强有力的理论建议，该模型可以在莫特绝缘体中实现，这些绝缘体表现出很强的自旋轨道耦合，”安德拉德说。

莫特绝缘体是一种复杂的材料，可作为电绝缘体，但具有自旋动力学并且表现得像磁性材料。科学家们对它们非常感兴趣，因为它们可以分别获取电子电荷和自旋，这会产生大量独特的物理特性，例如自旋液体。“在这项研究中，电子被冻结在太空中，因此它们的质量和电荷不参与低温下的动力学。唯一的贡献来自自旋，”安德拉德说。

自旋轨道耦合是原子和凝聚态物质系统中受限相对论的一种表现。这种效应将电子的自旋与其在三维空间中的运动相结合。“这对于创建磁性Kitaev相互作用至关重要。该术语相关性的先决条件是系统的磁性原子具有非常高的原子序数。因此，Kitaev材料通常涉及铱[Ir]和钌[Ru]，”安德拉德说。

Andrade和Dantas报告的研究重点是氧化铱H3LiIr2O6上。这种莫特绝缘体在低至50毫开尔文时没有显示出磁性，使其成为实现基塔耶夫自旋液相的重要候选者。

“我们成功地解释了纯Kitaev模型的预测与用H3LiIr2O6获得的实验结果之间的矛盾获得的实验结果之间的矛盾。我们表明，少量空位的存在足以解释实验数据。空位对应用非磁性离子代替磁性离子。由于氢是一种非常轻的元素，这些缺陷预计会在结晶过程中出现在系统中，”Andrade说。

“我们的工作为涉及无序基塔耶夫自旋液体的实验提供了一个一致的框架，并产生了一个重要的预测：这种材料应该在存在外部磁场的情况下表现出拓扑相。实际上，拓扑相的特征在于存在于“系统的边缘，携带量子化能量流的马约拉纳费米子。如果我们回想一下我们谈论的是电子电荷被冻结并因此无法传输电流的莫特绝缘体，这个结果令人印象深刻。”

马约拉纳费米子的存在已被深入探索。在1937年的一篇论文中，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(EttoreMajorana)被认为是科学史上最伟大的天才之一，在31岁时消失得无影无踪，他提出了粒子可能是它自己的反粒子的假设，并提出中微子可能是这样一个粒子。

目前的研究不仅关注中微子，还关注准粒子或表观粒子，它们由凝聚态系统中的激发组成。除了引起对基础物理学的兴趣之外，这些外来粒子(通常称为马约拉纳费米子)定义了量子信息和量子计算的重要前沿，例如，它们可用于纠错。这里讨论的研究有助于理解这些费米子。